JP2011138820A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の発光素子は、半導体素子構造と、前記半導体素子構造上の一部に設けられ、透光性で絶縁性の第1反射膜と、金属の第2反射膜と、絶縁膜と、をこの順に含む光反射構造と、前記光反射構造上で該光反射構造を前記半導体素子構造と挟んで被覆する被覆部と、前記光反射構造から露出される前記半導体素子構造上の導通部と、を有する電極膜と、を備え、前記第2反射膜は、前記第1反射膜及び前記絶縁膜の少なくとも一方から前記導通部に延出して前記電極膜に接する延出部を有することを特徴とする。
【選択図】図2
Description
(1)半導体素子構造と、前記半導体素子構造上の一部に設けられ、透光性で絶縁性の第1反射膜と、金属の第2反射膜と、絶縁膜と、をこの順に含む光反射構造と、前記光反射構造上で該光反射構造を前記半導体素子構造と挟んで被覆する被覆部と、前記光反射構造から露出される前記半導体素子構造上の導通部と、を有する電極膜と、を備え、前記第2反射膜は、前記第1反射膜及び前記絶縁膜の少なくとも一方から前記導通部に延出して前記電極膜に接する延出部を有する発光素子。
(2)前記第1反射膜は、前記被覆部側の該第1反射膜より連続し、前記延出部において該延出方向で前記半導体素子構造側に近づいて傾斜する傾斜部を有する上記(1)に記載の発光素子。
(3)前記延出部は、前記第1反射膜における前記導通部側の側面上に設けられている上記(1)に記載の発光素子。
(4)前記第1反射膜は、屈折率の異なる2種以上の誘電体膜が周期的に積層された誘電体多層膜を有する上記(2)又は(3)に記載の発光素子。
(5)前記延出部の膜厚は、該延出方向に小さくなる上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の発光素子。
(6)前記延出部において、前記第2反射膜と前記電極膜の間に空隙が設けられている上記(1)〜(5)のいずれか1つに記載の発光素子。
(7)前記半導体素子構造の表面の面内において、前記導通部を複数有し、少なくとも一つの前記導通部が前記被覆部に囲まれている上記(1)〜(6)のいずれか1つに記載の発光素子。
(8)前記半導体素子構造が、第1,2導電型半導体層を有し、該第1,2導電型半導体層の同一面側にそれぞれ前記電極膜と前記光反射構造を有し、前記第2導電型半導体層上の全ての導通部が、前記被覆部に囲まれた導通部である上記(7)に記載の発光素子。
(9)前記発光素子は、前記電極膜と前記光反射構造が互いに併設して延伸する延伸併設部を有する上記(1)〜(7)のいずれか1つに記載の発光素子。
(10)前記第1導電型半導体層上の導通部は、前記電極膜の外周部に設けられ、該第1導電型半導体層上の前記光反射構造は、前記外周部より内側にのみ設けられる上記(8)又は(9)に記載の発光素子。
(11)前記半導体素子構造と、前記導通部の電極膜及び前記光反射構造との間に、透光性導電膜を有する上記(1)〜(10)のいずれか1つに記載の発光素子。
(12)前記透光性導電膜と、前記半導体素子構造との間に、前記第1反射膜を有する第2の光反射構造を有する上記(11)に記載の発光素子。
(13)前記透光性導電膜の面内で、前記導通部が、前記第2の光反射構造内に配置されている上記(12)に記載の発光素子。
図1は、本発明の実施の形態1に係る発光素子の概略図であり、図1Aは概略上面図の図1BのA−Aにおける概略断面図であり、また図2はその発光素子の光反射構造の周辺を部分的に拡大した概略断面図である。尚、各図では、保護膜50、その開口部で、第1,2電極30,40の外部接続部34,44は、またその他の光反射構造、電極構造など一部省略、簡略化して表示しており、他の図についても同様である。図1,2に示す例の発光素子は、主として、半導体素子構造20、光反射構造17,18、及び電極膜32,42から構成されている。半導体素子構造20は、基板10上に、発光素子構造を構成する半導体層21〜23を有し、半導体層は下層側から第1導電型半導体層21、活性層22、第2導電型半導体層23をこの順に含んでいる。なお以下、主として第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明するが、その逆であってもよい。光反射構造17,18は、下層側から透光性で絶縁性の第1反射膜1、金属の第2反射膜2、絶縁膜3、をこの順に含んでいる。また光反射構造は、半導体素子構造上の一部、より詳細には各導電型の半導体層上、露出部の非発光構造部26と発光構造部25の一部に設けられている。そして、各導電型の半導体層上において、この光反射構造17,18を覆って電極膜32,42が設けられており、電極膜は、光反射構造上を被覆し、半導体素子構造とで光反射構造を挟む被覆部36,46と、光反射構造から露出される半導体素子構造(半導体層)上にあって半導体層と導通する導通部35,45と、を連続して有している。このような発光素子は、通電されると、電極膜の導通部35,45から半導体素子構造20に電流が注入されて、素子構造内のキャリアが注入されて活性層22で発光し、そのうち電極膜形成面側に発光された光の一部は、光反射構造17,18により反射されて基板10側から取り出される。
発光素子は公知の半導体発光素子を利用でき、特に窒化物半導体であれば、蛍光物質を効率良く励起できる短波長の可視光や紫外光が発光可能であるため、好ましい。具体的な発光ピーク波長は240nm以上560nm以下、好ましくは380nm以上470nm以下である。なお、このほか、ZnSe系、InGaAs系、AlInGaP系半導体の発光素子でもよい。
半導体層による半導体素子構造20は、少なくとも第1導電型(n型)層21と第2導電型(p型)層23とにより構成され、更にその間に活性層22を有する構造が出力、効率上好ましい。また、電極構造は、一方の主面側に第1導電型、第2導電型の両電極が設けられる同一面側電極構造が好ましいが、それに限定されず半導体層の各主面に対向して電極が各々設けられる対向電極構造、例えば成長基板除去構造において基板除去側に電極を設ける構造でも良い。発光素子の実装形態も、例えば上記同一面側電極構造では、電極膜形成面を実装面として、それに対向する基板側を主な光取り出し面とするフリップチップ実装が、半導体層と電極膜との間に光反射構造を有する構造上好ましい。この他、電極膜形成面側を主な光取り出し面とするフェイスアップ実装でもよい。
発光素子の一例として、例えば図1に示す窒化物半導体の発光素子では、成長基板10であるサファイア基板の上に、第1の窒化物半導体層であるn型半導体層21、活性層である発光層22、第2の窒化物半導体層であるp型半導体層23を順にエピタキシャル成長されている。結晶成長方法としては、例えば、有機金属気相成長法(MOCVD:metal-organic chemical vapor deposition)、ハイドライド気相成長法(HVPE)、などの方法が利用できる。そして、発光層22およびp型半導体層23の一部が選択的にエッチングにより除去されて、n型半導体層21の一部が露出されて、その露出領域に第1電極30としてn型パッド電極32が形成される。また第1電極30と同一面側であって、p型半導体層のほぼ全面に第2電極40として、透光性導電膜41が形成され、その上にp型パッド電極42が形成される。さらに、保護膜50がn型、p型パッド電極32,42の表面を露出させ、各半導体層を被覆して設けられる。なお、第1電極30は、n型半導体層の露出領域に、透光性導電膜31を介して形成されてもよい。
窒化物半導体としては、一般式がInxAlyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)であって、BやP、Asを混晶してもよい。また、n型半導体層21、p型半導体層23は、単層、多層を特に限定しない。活性層22は単一量子井戸構造(SQW)又は多重量子井戸構造(MQW)が好ましい。青色発光の素子構造の例としては、サファイア基板のC面上に、バッファ層などの窒化物半導体の下地層、例えばGaNの低温成長薄膜層とGaNの高温成長層を介して、n型窒化物半導体層として、例えばSiドープGaNのn型コンタクト層とGaN/InGaNのn型多層膜層が積層され、続いてInGaN/GaNのMQWの活性層、さらにp型窒化物半導体層として、例えばMgドープのInGaN/AlGaNのp型多層膜層とMgドープGaNのp型コンタクト層が積層された構造がある。
成長基板10は、半導体層をエピタキシャル成長させることができる基板で、基板の大きさや厚さ等は特に限定されない。窒化物半導体における基板としては、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgAl2O4)のような絶縁性基板、また炭化珪素(6H、4H、3C)、シリコン、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、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、GaNやAlN等の窒化物半導体基板があり、そのオフアングルした基板(例えば、サファイアC面で0.01°〜3.0°)も用いることができる。成長基板10が一方の導電型の半導体層の一部を担っても良い。なお、成長基板10は、半導体素子構造を構成しない場合には除去してもよく、成長基板10が除去された半導体層に、支持基板、例えば導電性基板または別の透光性の部材・基板を接着した構造とすることもできる。その他、ガラス、樹脂などの透光性部材(蛍光物質を含有する波長変換部材でもよい)により半導体層が接着・被覆されて、支持された構造の素子でも良い。成長用基板10の除去は、例えば装置又はサブマウントのチップ載置部に保持して、研磨、LLO(Laser Lift Off)で実施できる。また、透光性の異種基板であっても、基板除去することで、光取り出し効率、出力を向上させることができる。
半導体層のほぼ全面に導電膜31,41が形成されることにより、電流をその半導体層全体に均一に広げることができ、また該導電膜が透光性を備えることで、その上に光反射構造17,18を設けることができる。透光性導電膜31,41は、透明電極など数々の種類があるが、好ましくはZn、In、Snよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物とする。具体的には、ITO、ZnO、In2O3、SnO2等、Zn、In、Snの酸化物を含むものが好ましく、より好ましくはITOを使用する。あるいはNi等の金属を30Å等の薄膜の金属膜、その他の金属の酸化物、窒化物、それらの化合物、窓部の開口部を有する金属膜のような光透過構造、以上の複合物でもよい。また、透光性導電膜31,41の厚さは、その層の光吸収性と電気抵抗・シート抵抗、また光反射構造17,18と電流の広がりを考慮した厚さとし、例えば1μm以下、具体的には10nmから500nmとする。また、活性層22から放出される光の波長λに対してλ/4のおよそ整数倍とすることで、光取り出し効率を高めることができる。なお、この透光性導電膜31,41は省略することもでき、その場合には光反射構造17,18が各導電型の半導体層に接して設けられてもよい。
本発明の発光素子において、半導体素子構造20の互いに対向する2つの主面の一方を光取り出し側、他方を光反射側とすると、この光反射側に光反射構造17,18が設けられ、特に活性層22などの発光構造を有する領域25に設けられる。光反射構造17,18は、電極構造の一部、電極構造との重畳構造、電極構造との面内分離構造、などとして設けられ、好ましくは発光構造に対応して発光面積が大きくなるように、また電荷注入効率が高くなるように重畳構造とする。具体的には、半導体層又はその上の透光性導電膜と、素子外部と接続されるパッド電極との間に、光反射構造が設けられる。これにより、電気的な導通経路と光反射領域とが面内に分離して配置された構造となる。この面内分離の光反射構造は、分離領域に導通構造を有しているため、絶縁性で構成することができる。
第1反射膜1は、絶縁体により構成される。絶縁性膜の単層でもよいが、誘電体多層膜との組み合わせにより構成されることで、光反射構造の光反射性を更に高めることができる。具体的には、高い入射角の光は絶縁性膜で好適に反射され、低い入射角の光は誘電体多層膜のDBRで好適に反射され、そのため、どちらか一方よりも両者を組み合わせた複合的な反射構造とすることが好ましい。絶縁性膜と誘電体多層膜の配置は、特に限定されないが、好適には半導体層側から順に絶縁性膜、誘電体多層膜を設けると、絶縁性膜による屈折率差の反射と、誘電体多層膜による波長、方向依存の反射と、を機能分離して各機能を高めることでき好ましい。なお第1反射膜1は、絶縁性膜を含まず、誘電体多層膜だけで構成されてもよい。
絶縁性膜は、発光素子からの光を効率よく反射させ、またその一部の光を誘電体多層膜に透過させるように透光性を有する。そのため絶縁性膜は、好ましくは酸化物とし、さらに好ましくはSi、Alよりなる群から選択された少なくとも一種の元素の酸化物とする。具体的には、SiO2、Al2O3等とし、好ましくはSiO2を使用する。絶縁性膜の厚さは、10nm〜2μm程度の厚さで形成可能であり、200nm以上500nm以下とすることが好ましい。
誘電体多層膜は、屈折率の異なる2種以上の誘電体膜が周期的に積層された多層構造である。より詳細には、誘電体多層膜は、屈折率の異なる膜が1/4波長の厚みで交互に積層された分布ブラッグ反射器(Distributed Bragg Reflector:DBR)を構成し、所定の波長を高効率に反射することができる。誘電体多層膜の例としては、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物または窒化物から選択された少なくとも2つを繰り返し積層したものが好ましい。さらに好ましくは非金属元素からなる材質、あるいは酸化物の積層構造とし、例えば(Nb2O5/SiO2)n(ただしnは自然数)の積層構造等で構成される。
第2反射膜2は、少なくともAl、Ag、W、Pt、Zn、Ni、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Co、Fe、Mn、Mo、Cr、La、Cu、Yよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む金属または合金またはそれらの酸化物を含む層を有する単層、又は多層構造で設けられる。半導体層と電極膜との間に設けられる第2反射膜2は、活性層から出射される光の波長に対して、電極膜を構成する金属に比べ反射率が高く吸収係数が小さい金属より成ることが好ましく、特にAlもしくはAgを使用することが好ましい。これにより、該第2反射膜2で活性層から発光される光を反射させ、電極膜の光吸収による光損失を低減して光の取り出し効率を高めることができる。
絶縁膜3は、電極膜と第2反射膜2とを電気的に絶縁させる機能を有する。このような絶縁膜3は、第1反射膜1の絶縁性膜と同様に、好ましくは酸化物とし、さらに好ましくはSi、Alよりなる群から選択された少なくとも一種の元素の酸化物とする。具体的には、SiO2、Al2O3等とし、好ましくはSiO2を使用する。絶縁膜3の厚さは特に限定するものではなく、10nm〜2μm程度の厚さで形成可能であり、100nm以上500nm以下とすることが好ましい。
光反射構造17,18のパターン(平面視形状)は、任意のパターンを使用できる。好ましい開口部の形状としては、線状、縞状、格子状、島状とする。図1の例では、光反射構造18の開口部45が島状にパターニングされている。光反射構造が開口部を備えることで、半導体素子構造20(又は透光性導電膜)の露出領域が形成される。このように部分的に半導体素子構造20が露出され電極膜と電気的に接続されるような構造とすることで、この領域が導通経路となり、接触抵抗を実質的に低減して順方向電圧を低下させることができる。なお、光反射構造17,18の形成パターンは上記の例に限られず、例えば開口部の形状を円形、楕円形、矩形状、多角形状などとしたり、また光反射構造17,18を島状、例えば矩形状のパターンに形成し、その矩形状のパターンの縦横幅を適宜変更したり、その島状の形状を三角形状や円形、半円形、多角形状としたり、これらの配置を千鳥状としたり、種々の形成部・開口部の形状、配置としても良い。また全体に均一に配置する例に限られず、領域ごとに大きさや密度を適宜変更したり、上記のパターンを組み合わせたりすることもできる。
半導体素子構造20上に光反射構造17,18が形成された後、半導体素子構造20に電気的に接続される電極膜32,42が形成される。電極膜32,42は、n型半導体層及びp型半導体層、適宜設けられた透光性導電膜、並びに光反射構造17,18に接して、第1電極30及び第2電極40としてそれぞれ形成される。電極膜32,42は、発光素子と外部電極とを電気的に接続させ、パッド電極として機能する。例えば、電極膜表面にAuバンプのような導電部材を配置し、導電部材を介して、発光素子の電極と、これに対向して配置された外部電極との電気的接続させる。電極膜32,42には既存の構成が適宜採用でき、例えばAu、Pt、Pd、Rh、Ni、W、Mo、Cr、Tiのいずれかの金属またはこれらの合金やそれらの組み合わせから成る。電極膜32,42の一例として、下層側からTi/Pt/Au、もしくはTi/Rh/Auの積層構造が採用できる。本実施の形態において、電極膜32,42は透光性導電膜31,41の少なくとも一部に接して形成されているが、電極膜の一部が、透光性導電膜に設けた貫通孔内に延在させて、あるいは透光性導電膜より外側にて、半導体層に直接接触する接触部として設けられてもよい。電極膜の一部にこのような接触部が設けられることによって、電極膜と半導体素子構造との密着性を高めることができる。また、各導電型の半導体層に形成される電極膜は、用いる金属の種類や膜厚を同じ構成とし、同時に形成することで、別々に形成する場合と比較して、電極膜の形成の工程を簡略化することができる。別々に設ける場合のn側電極は、例えば、半導体層側から順に積層させたW/Pt/Au電極(その膜厚として、例えばそれぞれ20nm/200nm/500nm)や、さらにNiを積層させたW/Pt/Au/Ni、あるいはTi/Rh/Pt/Au電極等が利用できる。
電極膜を形成した後、外部の電極や端子等との接続領域を除いて半導体発光素子のほぼ全面に絶縁性の保護膜50を形成できる。したがって、n側電極部分及びp側電極部分を被覆する保護膜50に、開口部33,43が各々形成される。保護膜50にはSiO2、TiO2、Al2O3、ポリイミド等が利用できる。なお、絶縁膜3と保護膜50とを同一部材で併用させてもよく、すなわち保護膜と絶縁膜とを同一工程、同一膜として形成することで工程簡略化でき好ましい。
図5は、実施の形態2に係る発光素子の光反射構造の周辺を部分的に拡大した概略断面図である。図5に示す例の発光素子において、上述の実施の形態1と実質上同様の構成については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
本発明の発光素子は、配線基板、パッケージ基体、リードフレーム等の実装基体上に実装して発光装置としてもよく、それに発光素子を封止する樹脂やレンズ等の透光性部材を付加してもよい。また発光素子には、該発光素子の光により励起される蛍光体を含有する波長変換部材を、接合又は接着する、若しくは上記透光性部材中に混在させる、などして付加することができる。本発明の発光素子は、金属の第2反射膜を含む光反射構造としているため、広範囲の波長の光に対して高い反射率を有しており、発光素子の周囲に配置される蛍光体から出射される波長変換光についても効率良く反射することができる。また、信頼性の高い光反射構造であるため、長時間・高電流駆動においても、輝度・色ムラの発生を抑制し、安定した発光が得られる発光素子、発光装置とすることができる。
実施例1の発光素子として、図1に示す構成のLEDチップを作製する。まず、MOVPE反応装置を用い、2インチφのサファイア基板1の上にGaNよりなるバッファ層を20nm、Siドープn型GaNよりなるn型コンタクト層21を4μm、ノンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる単一量子井戸構造の活性層22を3nm、Mgドープp型Al0.1Ga0.9Nよりなるp型クラッド層(23)を0.2μm、Mgドープp型GaNよりなるp型コンタクト層(23)を0.5μmの膜厚で順に成長させる。
比較例1の発光素子として、実施例1における絶縁膜3のみを除いて光反射構造17,18を形成する以外は、実施例1と同様に作製する。また比較例2の発光素子として、実施例1における第2反射膜2と絶縁膜3を除いて光反射構造17,18を形成する以外は、実施例1と同様に作製する。
10…基板(11…凹凸構造)、
20…半導体素子構造(21…第1導電型層(n型層)、22…活性層(発光層)、23…第2導電型層(p型層)、25…発光構造部、26…非発光構造部(電極形成部)、
30…第1電極(31…第1層[透光性導電膜]、32…第2層[電極膜]、33…外部接続部[保護膜の開口部]、34…延伸部、35…導通部[光反射構造の開口部])、36…被覆部
40…第2電極(41…第1層、42…第2層、43…外部接続部[保護膜の開口部]、45…導通部[光反射構造の開口部])、46…被覆部
50…保護膜
Claims (13)
- 半導体素子構造と、
前記半導体素子構造上の一部に設けられ、透光性で絶縁性の第1反射膜と、金属の第2反射膜と、絶縁膜と、をこの順に含む光反射構造と、
前記光反射構造上で該光反射構造を前記半導体素子構造と挟んで被覆する被覆部と、前記光反射構造から露出される前記半導体素子構造上の導通部と、を有する電極膜と、を備え、
前記第2反射膜は、前記第1反射膜及び前記絶縁膜の少なくとも一方から前記導通部に延出して前記電極膜に接する延出部を有する発光素子。 - 前記第1反射膜は、前記被覆部側の該第1反射膜より連続し、前記延出部において該延出方向で前記半導体素子構造側に近づいて傾斜する傾斜部を有する請求項1に記載の発光素子。
- 前記延出部は、前記第1反射膜における前記導通部側の側面上に設けられている請求項1に記載の発光素子。
- 前記第1反射膜は、屈折率の異なる2種以上の誘電体膜が周期的に積層された誘電体多層膜を有する請求項2又は3に記載の発光素子。
- 前記延出部の膜厚は、該延出方向に小さくなる請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記延出部において、前記第2反射膜と前記電極膜の間に空隙が設けられている請求項1乃至5のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記半導体素子構造の表面の面内において、前記導通部を複数有し、少なくとも一つの前記導通部が前記被覆部に囲まれている請求項1乃至6のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記半導体素子構造が、第1,2導電型半導体層を有し、該第1,2導電型半導体層の同一面側にそれぞれ前記電極膜と前記光反射構造を有し、
前記第2導電型半導体層上の全ての導通部が、前記被覆部に囲まれた導通部である請求項7に記載の発光素子。 - 前記発光素子は、前記電極膜と前記光反射構造が互いに併設して延伸する延伸併設部を有する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記第1導電型半導体層上の導通部は、前記電極膜の外周部に設けられ、該第1導電型半導体層上の前記光反射構造は、前記外周部より内側にのみ設けられる請求項8又は9に記載の発光素子。
- 前記半導体素子構造と、前記導通部の電極膜及び前記光反射構造との間に、透光性導電膜を有する請求項1乃至10のいずれか1項に記載の発光素子。
- 前記透光性導電膜と、前記半導体素子構造との間に、前記第1反射膜を有する第2の光反射構造を有する請求項11に記載の発光素子。
- 前記透光性導電膜の面内で、前記導通部が、前記第2の光反射構造内に配置されている請求項12に記載の発光素子。
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