JP2008288552A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 透光性基板上に第1導電型の第1半導体層と第2導電型の第2半導体層とが順に設けられ、第1半導体層の露出部に第1電極、第2半導体層に第2電極がそれぞれ設けられた半導体発光素子と、半導体発光素子が載置される支持基板と、を備える発光装置であって、半導体発光素子は、平面視で矩形であり、少なくとも第1の辺と、第1の辺と異なる第2の辺とを有し、第1の辺側から出射される光は、第2の辺側から出射される光よりも強く、半導体発光素子が2つ以上、第1の辺が互いに略平行に向かい合うように、支持基板に列状にフリップチップ実装された発光装置
【選択図】 図2A
Description
(1)各半導体発光素子の第1の辺は、該辺の対向辺の方向にみて、第1の辺側の第1半導体層の露出部及び対向辺と向き合っており、その領域の第2電極の面積をR1、第1の辺の長さをL1とし、第2の辺は、該辺の対向辺の方向にみて、第2の辺側の第1半導体層の露出部及び対向辺と向き合っており、その領域の第2電極の面積をR2、第2の辺の長さをL2としたとき、R1とL1の比R1/L1は、R2とL2の比R2/L2よりも小さい。
(2)第1の辺の対向辺は、第1の辺の方向にみて、対向辺側の第1半導体層の露出部及び第1の辺と向き合っており、その領域の第2電極の面積をR1´、第1の辺の長さをL1´としたとき、R1´とL1´の比R1´/L1´は、R1/L1と略等しい。
(3)第2の辺は、第1の辺に隣接する辺である。
(4)各半導体発光素子の第2電極は、第1の辺側に、第1の辺と露出部に挟まれた第1挟域部と、該挟域部よりも素子の内側に延びた第1延長部とを有し、第1の辺の長さ方向において、第1挟域部が第1延長部よりも長い。
(5)第2電極は、第2の辺側に第2延長部を有し、第2延長部で第2の辺側の第2電極が構成されてなる。
(6)第2電極は、第2の辺側に、第2挟域部と、該第2挟域部よりも素子の内側に延びた第2延長部とを有し、第1の辺の長さ方向における第1挟域部の長さA1と第1の辺の長さL1の比A1/L1は、第2の辺の長さ方向における第2挟域部の長さA2と第2の辺の長さL2の比A2/L2と、略等しいかそれよりも大きい。
(7)第2の辺の長さ方向において、第2挟域部が第2延長部よりも短い。
(8)平面視で、半導体発光素子の1つの辺と、該辺の対向辺及び第2半導体層と、で挟まれる領域の面積Sと、該辺の長さLとの比S/Lは、第1の辺のS1/L1が、第2の辺のS2/L2と略等しい。
(9)平面視で、半導体発光素子の1つの辺と、該辺の対向辺及び第2半導体層と、で挟まれる領域の面積Sと、該辺の長さLとの比S/Lは、第1の辺のS1/L1が、第2の辺のS2/L2よりも小さい。
(10)第2の辺は、第1の辺の対向辺と異なる辺であり、第1の辺及び第1の辺の対向辺は、S/Lが略同一であり、第2の辺及び第2の辺の対向辺もS/Lが略同一である。
(11)第2電極は、第1電極よりも第1の辺側に設けられている。
(12)半導体発光素子は、第1半導体層と第2半導体層との間に発光層を有し、第1半導体層の露出部と第2電極が設けられた第2半導体層との間で、発光層の端面が露出しており、支持基板は、半導体発光素子の第1及び第2電極が接続される配線電極を有し、配線電極は、少なくとも、平面視で発光層の端面露出部の下に設けられる。
図1、図2A及び図2Bは、本実施形態にかかる半導体発光素子100及び発光装置101を示す模式的な上面図である。
本発明の発光素子は、実施形態1で説明したように、支持基板上に相互に隣接して配置される複数の素子において、互いに向かい合う辺、つまり第1の辺における第2電極を特定の構造とすること、また、特に第2の辺が素子間で隣接しない辺である場合に、第2の辺と第1の辺を特定の構造とすることで、発光出力に優れた発光装置とするものである。その主要な構成、下記第1〜3の構成について、以下に説明する。
挟域部や延長部の長さの他、上記第1の構成にかかる各辺側の発光領域の面積を、第1の辺側と第2の辺側で異なるものとすることで、端面から出射される光の強度を変えることができる。具体的には、平面視で、素子の1つの辺に最も近い第2電極の端部と、該端部の次に近い第2電極の端部と、で挟まれる領域の面積Rと、該辺の長さLとの比R/Lを、第1の辺のR1/L1が第2の辺のR2/L2よりも小さくする。これにより、発光領域全体でみて、発光領域で発生した光が素子端面から出射するまでに素子内を通過する距離を、第2の辺側よりも第1の辺側で短くでき、第1の辺側から出射される光の強い素子とすることができる。
また、上記第3の構成に係る形態として、第1の辺から発光領域までの距離を近くすることで、発光領域からの光を隣接する他の素子端面に到達する光量を多くできる。発光領域までの距離は、第1の辺と第2の辺とで略等しいか、若しくは第1の辺の方が近いことが好ましく、具体的には、平面視で、1つの辺を基準としてそれに対向する発光領域との間の領域が小さい方が好ましい。例えばその基準辺と、その基準辺の対向辺若しくは対向辺より該辺の近くに配置された発光領域と、で挟まれる領域の面積Sと、辺の長さLとの比S/Lが、第1の辺のS1/L1と第2の辺のS2/L2とで略等しいか、若しくは第1の辺のS1/L1の方が小さいことが好ましい。これにより、第1の辺側の端面から出射される光の減衰を、第2の辺側と略等しいか、若しくは小さくして、光量を大きくすることができる。
(挟域部と延長部の長さ)
上記第2の構成に係る構造は、隣接素子に対向する第1の辺において、その第2電極又は発光領域の内、他の部分より比較的強い光を出射する挟域部の、第1の辺に占める割合を大きくすることで、その素子端部で強い光を出射でき、その隣接素子の対向辺、つまり隣接素子の端部における反射に好適な光を出射することができる。具体的には、上記実施形態1のように、第1の辺における第2電極又は発光領域に占める挟域部の割合を、上記第1の構成に係る発光領域の幅、背面端部との距離、各領域の面積が小さい他の部分、例えば延長部に比して、それよりも大きくする。好適には、挟域部が占める割合として、辺の長さの半分以上、さらに好ましくは2/3以上であると良い。ここで、各辺に占める各部の割合は、各辺の長さLにおける、その辺方向における各部の長さ(挟域部A、延長部B)の比、つまり、挟域部の占める割合[A/L]、延長部の占める割合[B/L]、上記他の部(非挟域部)の占める割合[(L−A)/L]として、評価できる。
好ましくは、第1の辺の対向辺側は、以下のような構成とする。第1の辺の対向辺は、第1の辺の方向にみて、対向辺側の第1半導体層の露出部及び第1の辺と向き合っており、その領域の第2電極の面積をR1´、第1の辺の長さをL1´としたとき、R1´とL1´の比R1´/L1´は、上述のR1/L1と略等しい。また、第1の辺の対向辺側の第2電極は、第1の辺側のように、挟域部と延長部とを有し、挟域部の対向辺方向の長さが延長部よりも長くなるように形成される。これらの構成により、対向辺側の端面においても光の減衰を抑制し、強い光を出射することができ、特に他の素子を対向辺側にも配置する場合に好ましい。さらに、図1に示す素子のように、第1の辺側とその対向辺側とで発光領域の平面視形状を同じにすると、対向辺側の端面から出射する光の強度を第1の辺側と同様なものとできる。
第2電極の挟域部は、各辺側で第1半導体層の露出領域である露出部などによって素子内部、若しくは対向辺側の第2電極と隔たれた部分であり、すなわち、露出領域などによる分離部と各辺とで挟まれた発光領域であり、その分離部の対向辺側にも第2電極が設けられる。第1の辺側の挟域部は、好ましくは露出領域に設けられる第1電極よりも第1の辺側に配置される。これにより、図4に示すように、挟域部を第1の辺側に近づけて設けることができ、また、発光領域の端面からの光を第1電極に遮られずに第1の辺側から取り出すことができる。電極に遮られずに端面から光を取り出すためには、第1の辺側若しくは各辺側の半導体層端面が、光出射可能な露出面を少なくとも一部に有することが好ましく、さらには端面のほぼ全面が光出射面となることが好ましい。具体的には、遮光性の金属から露出している構造、例えば反射膜や電極から露出している構造や、透光性の保護膜で覆われている構造などであることが好ましい。第2半導体層と第1半導体層の間に発光層を有する場合は、少なくとも発光層の端面が露出していることが好ましい。
本実施形態2の発光装置に用いられる図5Aに示す発光素子は、素子内部の発光領域と、素子外側の発光領域とを有する構造である。実施形態1に比して、素子外側の発光領域は、その大部分が、第1の辺とその対向辺側にそれぞれ設けられ、第1の辺の隣接辺側には、第1の辺及びその対向辺の延長部が第1の辺の両端部に配置され、その一部が延長部を構成し、さらにそれが延在して挟域部が設けられている。加えて、図5Aに示す発光素子は線対称の構造であり、その中心線は、辺長さの半分超を占める第2電極が設けられた第1辺又はその隣接辺に平行である。尚、第2電極は隣接辺側に外部接続領域が設けられ、そこから素子内側に延在してそれより幅狭の配線領域が設けられており、第1の辺及びその対向辺の発光領域の分離部と、隣接辺の同分離部とを構成している。第2電極は、第1の辺の端部より内側に延長部を有して上記内側発光領域と接続し、両端部の延長部や挟域部に外部接続領域が設けられる。以上の構造により、つまり幅広、大面積の内側の発光領域を有することにより、半導体層表面に垂直な軸状の正面に取り出される光を高くできる。また、内側の発光領域より幅狭、小面積の外側の発光領域を有することにより、素子隣接配置に好適な端面発光を実現する。
本実施形態3の発光装置に用いられる図6Aに示す発光素子は、実施形態2に比して、内側の第2電極がより幅広、大面積となり、それに対して、外側の第2電極の一部である挟域部の幅、上記各領域の面積が小さくなっている。これにより、第1電極の外部接続領域は、隣接辺の各部に接続する第1の辺及びその対向辺の両端部の延長部に設け、第1の辺及びその対向辺の内側の挟域部及び延長部は配線領域となっている。これにより、外側の発光領域において、端面出射光の輝度を高め、内側の発光領域で正面輝度を高めることができる。
本実施形態4の発光装置に用いられる図7Aに示す発光素子は、各辺が挟域部と延長部を各々有する発光領域の構造であり、実施形態2、3に比して、内側の発光領域が、隣接辺を互いに接続する延長部として設けられ、その延長部は、対向方向に幅が異なり、幅広な発光領域は相互に対向する2つの隣接辺側に設けられている。また第1電極は、実施形態2、3が隣接辺の対向方向に分離して各隣接辺側に配置されていたが、この実施形態4では、第1の辺の対向方向に分離した構造となっている。また、第1の辺及びその対向辺側では、その挟域部が辺方向に幅の異なる構造となっており、幅広な端部側には外部接続領域が設けられ、また延長部は、実施形態2、3と異なり、内側のそれが無くなり、端部側の延長部だけが設けられている。この発光素子では、隣接辺側に挟域部が設けられ、その挟域部を介して第1電極が辺から離間されたため、実施形態2、3に比して、その辺からの端面発光が強くなり、隣接辺側と、第1の辺及びその対向辺側との発光強度の分布の差が小さい構造となっている。
本実施形態5の発光装置に用いられる図8Aに示す発光素子は、実施形態4に比して、第2電極の外部接続領域が、内側の発光領域に設けられ、第1の辺及びその対向辺における外側の第2電極は幅が狭くなって配線領域とされ、均一幅の挟域部、延長部が配置され、隣接辺側では、その内側の第2電極が延長部を構成する構造となっている。また素子全体では、同一幅の外周部の第2電極と、内側の第2電極とが設けられた構造となっている。均一幅の挟域部により、均一性の高い端面発光が第1の辺及び第2の辺側でなされ、他方、隣接辺において、対向方向に延長部が同一幅であるため、その端面発光が低下し、実施形態4に比して第1の辺及びその対向辺と隣接辺との間の発光差が大きくなるが、実施形態2、3よりは均一性の高い素子となる。
本実施形態6の発光装置に用いられる図9に示す発光素子は、実施形態1〜5に比して、隣接辺で左右非対称の構造であり、一方の第1の辺11側に第2電極の挟域部及び延長部が配置され、その対向辺13側には、第1電極が配置され、その第1電極は両端部の配線領域と内側の外部接続領域を有する構造である。実施形態2〜5同様に、隣接辺側に挟域部と延長部が配置され、その延長部は相互に接続して、各隣接辺の一方端部側に配置され、第1の辺側の各部を構成している。この素子では、実施形態1〜5に比して、第1の辺及びその対向辺が異なるため、その発光差が大きく、他方第1の辺とその両端の隣接辺とで、挟域部及び延長部が各辺に占める割合の差が小さく、同様に、上記各領域の面積S、Rの各辺における値(S/L、R/L)の差も小さく、隣接素子を各辺側に配置しても出力差の小さい発光装置とできる。
本実施形態7の発光装置に用いられる発光素子は、図10Aの例では、実施形態1〜6に比して、長手形状であり、実施形態2、3同様に素子長手方向の隣接辺の対向方向に分離した第1電極が各隣接辺側に配置され、内側の第2電極が第1の辺及びその対向辺の延長部を構成して、実施形態5同様に共通の延長部となっている。また、挟域部は、実施形態1同様に、第1の辺及びその対向辺側に設けられ、隣接辺側に比して、端面発光が強い素子とできる。図11Aの例では、上記図10Aの例において、実施形態6と同様であり、相違点として非対称な方向、隣接辺の対向方向に長手形状として、隣接辺側で相互に異なる構造であり、実施形態4同様に、第1の辺及びその対向辺の辺方向において、幅の異なる挟域部が設けられ、幅広の挟域部に外部接続領域が設けられる構造としている。この長辺を形成する第1の辺により、隣接素子との対向辺が幅広とでき、隣接素子による好適な光反射が実現できる。
以下、本発明、上記各実施形態における各構成について詳述する。
第1及び第1半導体層としては、GaNやその他の半導体を使用したものを挙げることができる。半導体発光素子を蛍光物質で覆う場合には、その蛍光物質を効率良く励起できる短波長が発光可能な窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)が好適に挙げられる。半導体層の構造としては、MIS接合、PIN接合やpn接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶比によって発光波長を種々選択することができる。また、発光領域の第2半導体層と第1半導体層との間に、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造を有する構造とすることもできる。窒化物半導体を使用した場合、半導体層の成長用基板にはサファイア、スピネル、SiC、Si、ZnO等の材料が好適に用いられ、結晶性の良い窒化物半導体を量産性よく形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。
第2電極は、典型的には、第2導電型の半導体層に、発光素子に投入された電流を第2導電型の半導体層の全面に広げるための電流拡散電極として設けられる。第2電極は、好ましくは第2導電型の半導体層のほぼ全面に設けられる。特に第2導電型の半導体層がp型層である場合には、電流が面内方向に広がりにくいためこのような構造とすることが好ましい。第2電極には、バンプなどの導電部材と接続する第2導電型層側の台座電極を設けることもできる。第1電極は、第1導電型の半導体層表面に、バンプなどの導電部材と接続する台座電極として設けられる。
本発明の半導体発光素子としては、少なくとも発光装置に配置され相互に隣接する素子間で相互に対向する第1の辺を有するものであり、例えば、1辺とそれ以外が半円など、一部に曲線を有するような素子とすることもできるが、好適には多角形であり、さらに好ましくは第1の辺とその対向辺の2辺、さらに第1の辺とその隣接辺の3辺、さらに好ましくはそれら4辺を有する多角形、さらには四辺形であり、例えば平行四辺形、台形などとすることもできる。好ましい四辺形として、具体的には、平面視で正方形や長方形など、矩形のものを用いる。他の素子と向かい合う第1の辺は、他の辺、特に隣接辺に比して、同一長さの辺(正方形)や長辺(長方形)であることが好ましく、これにより、隣接素子からの光を反射可能な端面を大きくすることができ、本発明の効果が得られやすい。また、隣接素子間で、各第1の辺の長さが異なる形態、辺の一部だけが対向する形態などとすることもできるが、好適には、同一長さで、辺全体で対向するように正対する形態であることで、隣接素子による好適な反射がなされ好ましい。また、隣接素子の第1の辺を相互に交差する方向に傾斜して対向させることもできるが、傾斜した方向への光反射により、その発光が強くなり、指向性が悪くなる場合があるため、好ましくは相互に略平行とする。
本実施形態における支持基板としては、発光素子の電極に対向する面に導体配線が施され、フリップチップ実装された発光素子を固定・支持するための部材を用いることができる。さらに、支持基板をリード電極に導通させるときには、発光素子に対向する面からリード電極に対向する面にかけて導電部材により導体配線が施される。支持基板の材料は、発光素子と熱膨張係数がほぼ等しいもの、例えば窒化物半導体発光素子に対しては窒化アルミニウムが好ましく、これにより支持基板と発光素子との間に発生する熱応力の影響を緩和することができる。あるいは、静電保護素子の機能を備えさせることもでき安価でもあるシリコンを用いることもできる。その他に、複数の素子が接続される回路が設けられたプリント基板、発光装置の窓部、凹部などにある実装基体などを用いても良い。
導体配線の材料とする金属は、Auや銀白色の金属であるAlなどが用いられる。反射率の高い銀白色の金属とすることにより、発光素子からの光が支持基板と反対側の方向に反射され、発光装置の光取り出し効率が向上するため好ましい。ここで、導体配線の材料とする金属は、金属相互間の接着性の良さ、いわゆる濡れ性等を考慮して選択されることが好ましい。例えば、Auバンプを介して、Auを含むLEDチップの電極とを超音波ダイボンドにより接合するとき、導体配線は、AuまたはAuを含む合金とする。
本実施形態の発光装置では、半導体発光素子が複数、支持基板に実装され、各素子は第1の辺が互いに略平行に向かい合うように配置される。これにより、複数の素子の向かい合う端面間で効率よく反射でき、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。また、図2Aに示す発光装置は2つの発光素子を直列接続としているが、並列接続とすることもできる。並列接続とすると、直列接続とした場合と比較して、導体配線が簡略化され、放熱性を向上させることができる。本発明の発光装置は、各素子を、電極形成面側を発光面側として、その対向面側を実装面側とするフェースアップ実装やフリップチップ実装とすることができる。特にフリップチップ実装とすることが好ましく、光を成長用基板側から取り出すフリップチップ実装とすることで、フェースアップ実装における発光領域上面の発光で反射された光が基板と素子の端面から出射する光の割合をフェースアップ実装よりも大きく、上記隣接素子による反射を好適に利用できるためである。
2、22、32、42 露出部
3 第2電極
4 第1電極
5、5a、5b、25、35a、35b、45a〜45d 延長部
6、6a、6b、6c、6d、26a、26b、36、46a〜46c 挟域部
7、7a、7b、7c、27、37a〜37d、47a〜47c 第2の辺側の延長部
8、8a、8b、8c、38a〜38c、481、48b 第2の辺側の挟域部
9、29、39、49 支持基板
10a〜10c、210a〜210c、310a〜310c、410a〜410c 導体配線
11、211、311、411 第1の辺
12、212、312、412 第2の辺
13、213、313、413 第1の辺の対向辺
14、214、314、414 第2の辺の対向辺
15、215、315、415 第2電極の外部接続領域
16、216、316、416 第1電極の外部接続領域
100 半導体発光素子
101、201、301、401 発光装置
23、33、43 p電極
24、34、44 n電極
220、320、420 透光性基板
51 Al2O3基板
52 回路パターン
53 GaN系LED素子
Claims (13)
- 透光性基板上に第1導電型の第1半導体層と第2導電型の第2半導体層とが順に設けられ、前記第1半導体層の露出部に第1電極、前記第2半導体層に第2電極がそれぞれ設けられた半導体発光素子と、前記半導体発光素子が載置される支持基板と、を備える発光装置であって、
前記半導体発光素子は、平面視で矩形であり、少なくとも第1の辺と、前記第1の辺と異なる第2の辺とを有し、
前記第1の辺側の素子端面から出射される光は、前記第2の辺側の素子端面から出射される光よりも強く、
前記半導体発光素子が2つ以上、前記第1の辺が互いに略平行に向かい合うように、前記支持基板に列状にフリップチップ実装された発光装置。 - 前記各半導体発光素子の前記第1の辺は、該辺の対向辺の方向にみて、前記第1の辺側の前記第1半導体層の露出部及び前記対向辺と向き合っており、その領域の前記第2電極の面積をR1、前記第1の辺の長さをL1とし、
前記第2の辺は、該辺の対向辺の方向にみて、前記第2の辺側の前記第1半導体層の露出部及び前記対向辺と向き合っており、その領域の前記第2電極の面積をR2、前記第2の辺の長さをL2としたとき、
R1とL1の比R1/L1は、R2とL2の比R2/L2よりも小さい請求項1に記載の発光装置。 - 前記第1の辺の対向辺は、前記第1の辺の方向にみて、前記対向辺側の前記第1半導体層の露出部及び前記第1の辺と向き合っており、その領域の前記第2電極の面積をR1´、前記第1の辺の長さをL1´としたとき、
R1´とL1´の比R1´/L1´は、前記R1/L1と略等しい請求項2に記載の発光装置。 - 前記第2の辺は、前記第1の辺に隣接する辺である請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記各半導体発光素子の前記第2電極は、前記第1の辺側に、前記第1の辺と前記露出部に挟まれた第1挟域部と、該挟域部よりも素子の内側に延びた第1延長部とを有し、
前記第1の辺の長さ方向において、前記第1挟域部が前記第1延長部よりも長い請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記第2電極は、前記第2の辺側に第2延長部を有し、前記第2延長部で前記第2の辺側の第2電極が構成されてなる請求項5に記載の発光装置。
- 前記第2電極は、前記第2の辺側に、第2挟域部と、該第2挟域部よりも素子の内側に延びた第2延長部とを有し、
前記第1の辺の長さ方向における前記第1挟域部の長さA1と前記第1の辺の長さL1の比A1/L1は、前記第2の辺の長さ方向における前記第2挟域部の長さA2と前記第2の辺の長さL2の比A2/L2と、略等しいかそれよりも大きい請求項5に記載の発光装置。 - 前記第2の辺の長さ方向において、前記第2挟域部が前記第2延長部よりも短い請求項7に記載の発光装置。
- 平面視で、前記半導体発光素子の1つの辺と、該辺の対向辺及び前記第2半導体層と、で挟まれる領域の面積Sと、該辺の長さLとの比S/Lは、
前記第1の辺のS1/L1が、前記第2の辺のS2/L2と略等しい請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光装置。 - 平面視で、前記半導体発光素子の1つの辺と、該辺の対向辺及び前記第2半導体層と、で挟まれる領域の面積Sと、該辺の長さLとの比S/Lは、
前記第1の辺のS1/L1が、前記第2の辺のS2/L2よりも小さい請求項1〜8のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記第2の辺は、前記第1の辺の対向辺と異なる辺であり、
前記第1の辺及び前記第1の辺の対向辺は、前記S/Lが略同一であり、前記第2の辺及び前記第2の辺の対向辺も前記S/Lが略同一である請求項9又は10に記載の発光装置。 - 前記第2電極は、前記第1電極よりも前記第1の辺側に設けられている請求項1〜11のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記半導体発光素子は、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に発光層を有し、前記第1半導体層の露出部と前記第2電極が設けられた前記第2半導体層との間で、前記発光層の端面が露出しており、
前記支持基板は、前記半導体発光素子の前記第1及び第2電極が接続される配線電極を有し、
前記配線電極は、少なくとも、平面視で前記発光層の端面露出部の下に設けられる請求項1〜12のいずれか1項に記載の発光装置。
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