JP2015220404A - Light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光効率が向上されたIII 族窒化物半導体からなる発光素子に関する。特に、ｐ層上に電流阻止層を設けることにより発光効率が向上されたものに関する。 The present invention relates to a light emitting device made of a group III nitride semiconductor with improved luminous efficiency. In particular, the present invention relates to a material whose luminous efficiency is improved by providing a current blocking layer on the p layer.
特許文献１、２には、ｐ層上であってｐパッド電極直下の領域に、ＳｉＯ2 などの透光性と絶縁性を有した電流阻止層を設け、電流阻止層直下である発光層の一部領域が発光しないようにしたIII 族窒化物半導体からなる発光素子が記載されている。これによりｐパッド電極直下の発光層を発光させないようにするとともに、ｐ層と電流阻止層との界面で光を反射させることによって、ｐパッド電極による光の遮蔽、吸収を抑制し、光出力の向上を図っている。
In
しかし、特許文献１、２では、電流阻止層の領域を広げるとｐパッド電極の光遮蔽、吸収が抑制されることによる光出力向上の一方で、非発光領域の拡大による光出力の低下が生じる。そのため、発光素子全体としての光出力向上のためには、両者のバランスを取る必要があった。特許文献１、２には、電流阻止層の領域についてｐパッド電極直下とすること以外は特に記載がない。
However, in
そこで本発明の目的は、ｐ層上であってｐパッド電極直下の領域に透光性と絶縁性を有した電流阻止層を設けたIII 族窒化物半導体からなる発光素子において、光出力を向上させることである。 Accordingly, an object of the present invention is to improve light output in a light-emitting element composed of a group III nitride semiconductor provided with a current blocking layer having translucency and insulation in a region immediately above the p-pad electrode on the p-layer. It is to let you.
本発明は、III 族窒化物半導体からなるｐ層上に透明電極、ｐ電極が順に位置したIII 族窒化物半導体からなる発光素子において、ｐ層と透明電極との間に、絶縁性と透光性を有し、ｐ層よりも屈折率の小さな材料からなる電流阻止層を有し、電流阻止層は、平面視においてｐ電極よりも外側にはみ出して設けられ、ｐ電極の上面側角部と前記電流阻止層の上面側角部とを結ぶ直線が主面に垂直な方向に対して成す角度θは、ｐ層から透明電極に光が入射する際の臨界角をθｃ（°）として、θｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下である、ことを特徴とする発光素子である。 The present invention relates to a light-emitting element composed of a group III nitride semiconductor in which a transparent electrode and a p electrode are sequentially arranged on a p layer composed of a group III nitride semiconductor. A current blocking layer made of a material having a refractive index smaller than that of the p layer, and the current blocking layer is provided so as to protrude outward from the p electrode in a plan view, An angle θ formed by a straight line connecting the upper surface side corner of the current blocking layer with respect to a direction perpendicular to the main surface is defined as θc (°), where θc (°) is a critical angle when light enters the transparent electrode from the p layer. The light-emitting element has a feature of being −10 ° or more and θc + 10 ° or less.
角度θが上記範囲を満たす範囲において、ｐ電極の厚さを０．１〜５μｍとし、電流阻止層は、平面視においてｐ電極よりも０．１〜５μｍはみ出して設けられていることが望ましい。このような範囲とすることで、より光出力を向上させることができる。 In the range where the angle θ satisfies the above range, it is desirable that the thickness of the p electrode is 0.1 to 5 μm, and the current blocking layer is provided so as to protrude 0.1 to 5 μm from the p electrode in plan view. By setting it as such a range, an optical output can be improved more.
電流阻止層の厚さは、電流阻止層の厚さは、λ／（４ｎ）（ｎは電流阻止層の屈折率、λは発光波長）よりも厚く、かつ１５００ｎｍ未満とすることが望ましい。このような範囲とすることでより光出力を向上させることができる。 The thickness of the current blocking layer is preferably greater than λ / (4n) (where n is the refractive index of the current blocking layer and λ is the emission wavelength) and less than 1500 nm. By setting it as such a range, an optical output can be improved more.
電流阻止層の材料としてＳｉＯ2 、前記透明電極の材料としてＩＴＯを用いることができる。 SiO 2 can be used as the material for the current blocking layer, and ITO can be used as the material for the transparent electrode.
ｐ電極は、素子外部と電気的に接続される接続部と、接続部から配線状に延びる配線状部とを有した構造としてもよい。この場合、少なくとも平面視において接続部を含む領域に電流阻止層を設けることが望ましい。また、配線状部の平面パターンを素子外周に沿ったループ状としてもよい。素子の信頼性を向上させることができる。 The p-electrode may have a structure having a connection portion that is electrically connected to the outside of the element and a wiring-like portion that extends in a wiring shape from the connection portion. In this case, it is desirable to provide a current blocking layer in a region including the connection portion at least in plan view. Further, the planar pattern of the wiring portion may be a loop shape along the outer periphery of the element. The reliability of the element can be improved.
電流阻止層および透明電極は、平面視において接続部と重なる領域に第１の孔を有し、接続部の一部領域は、第１の孔を介してｐ層と接するようにしてもよい。接続部直下の発光層の領域を発光させないようにして光出力を向上させつつ、接続部の密着性を向上させることができる。 The current blocking layer and the transparent electrode may have a first hole in a region overlapping with the connection portion in plan view, and a partial region of the connection portion may be in contact with the p layer through the first hole. It is possible to improve the adhesiveness of the connecting portion while improving the light output by preventing the light emitting layer region immediately below the connecting portion from emitting light.
本発明の発光素子は、透明電極とｐ電極との間に絶縁膜をさらに有し、絶縁膜に開けられた第２の孔によって透明電極とｐ電極とが電気的に接続されており、ｐ電極は、配線状部に接続し、第２の孔を介して透明電極と接触するコンタクト部をさらに有し、絶縁膜中であって、平面視において接続部および記配線状部と重なる領域に反射膜を有し、電流阻止層は、平面視においてコンタクト部を含む領域にのみ設けられた構成としてもよい。この場合、電流阻止層の総面積を、ｐ電極の接続部の面積よりも小さくするとよい。ｐ層と透明電極とが接触する面積が増大し、駆動電圧を低減することができる。 The light-emitting element of the present invention further includes an insulating film between the transparent electrode and the p electrode, and the transparent electrode and the p electrode are electrically connected by the second hole opened in the insulating film. The electrode further includes a contact portion that is connected to the wiring-like portion and contacts the transparent electrode through the second hole, and is in the insulating film and overlaps with the connection portion and the wiring-like portion in plan view. It may have a configuration in which a reflection film is provided and the current blocking layer is provided only in a region including the contact portion in plan view. In this case, the total area of the current blocking layer may be smaller than the area of the connection portion of the p electrode. The area where the p layer and the transparent electrode are in contact with each other increases, and the driving voltage can be reduced.
本発明において屈折率は、発光素子の発光波長における値とする。以下、本明細書において特に断りのない限り屈折率について同様の意味とする。 In the present invention, the refractive index is a value at the emission wavelength of the light emitting element. Hereinafter, the refractive index has the same meaning unless otherwise specified.
本発明によれば、ｐ電極の光遮蔽・吸収低減による光出力向上の効果と、発光面積の減少による光出力低下の効果の両者のバランスが取れ、発光素子の光出力を向上させることができる。 According to the present invention, both the effect of improving the light output by reducing the light shielding / absorption of the p electrode and the effect of reducing the light output by reducing the light emitting area can be balanced, and the light output of the light emitting element can be improved. .
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体からなる発光素子の構成を模式的に示した断面図である。また、図２は、実施例１の発光素子を上方から見た平面図である。図１は、図２におけるＡ−Ａでの断面である。図２のように、実施例１の発光素子は、平面視で長方形のフェイスアップ型素子である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a light-emitting element made of a group III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 2 is a plan view of the light emitting device of Example 1 as viewed from above. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. As shown in FIG. 2, the light-emitting element of Example 1 is a rectangular face-up element in plan view.
図１のように、実施例１の発光素子は、サファイア基板１０と、サファイア基板１０上にバッファ層（図示しない）を介して位置するｎ層１１と、ｎ層１１上に位置する発光層１２と、発光層１２上に位置するｐ層１３を有している。ｎ層１１、発光層１２、ｐ層１３はIII 族窒化物半導体からなる。また、ｐ層１３表面側からｎ層１１に達する溝１９が形成され、溝１９の底面にはｎ層１１が露出する。また、ｐ層１３上のほぼ全面に透明電極１４が形成され、透明電極１４上の所定の領域にｐ電極１５が形成されている。また、溝１９の底面のｎ層１１上にはｎ電極１６が形成されている。さらに、ｐ層１３と透明電極１４との間の所定領域には、電流阻止層１７が設けられている。以下、実施例１の発光素子の各構成についてより詳細に説明する。
As shown in FIG. 1, the light emitting device of Example 1 includes a
サファイア基板１０は、その主面上にIII 族窒化物半導体を結晶成長させるための成長基板である。主面は、たとえばａ面やｃ面である。サファイア基板１０のｎ層１１側の表面には光取り出し率を向上させるためにドット状、ストライプ状などの凹凸加工が施されていてもよい。また、サファイア以外にもIII 族窒化物半導体を結晶成長可能な任意の材料の基板を用いることができる。たとえば、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯなどを用いてもよい。
The
ｎ層１１は、サファイア基板１０の表面上にＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介して位置している。また、ｎ層１１は、サファイア基板１０側から順に、ｎコンタクト層、ＥＳＤ層、ｎクラッド層が積層された構造である。ｎコンタクト層は、たとえばＳｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3 以上のｎ−ＧａＮからなる。ｎコンタクト層はＳｉ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。ＥＳＤ層は、たとえばノンドープＧａＮとｎ−ＧａＮを積層した層であり、静電耐圧を高めるための層である。ｎクラッド層は、たとえばＩｎＧａＮとｎ−ＧａＮを交互に繰り返し積層した超格子構造の層である。
The
発光層１２は、井戸層、保護層、障壁層がこの順に積層された構造を単位として、その単位構造が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。繰り返し回数は３〜１０回である。井戸層はＩｎＧａＮからなり、厚さは１〜５ｎｍである。保護層はＧａＮやＡｌＧａＮであってバンドギャップが障壁層のバンドギャップ以下である。井戸層側から順にＧａＮ、ＡｌＧａＮの積層としてもよい。この保護層は井戸層と同じ温度で成長させる層である。厚さは２〜２０Åである。障壁層はＡｌＧａＮからなる。Ａｌ組成比は３〜１０％であり、厚さは１〜１０ｎｍである。障壁層はＡｌＧａＮ単層に限らず、複数の層で構成してもよい。たとえば、Ａｌ組成比の異なる複数の層とすることができる。
The light-emitting
ｐ層１３は、発光層１２側から順にｐクラッド層とｐコンタクト層が積層された構造である。ｐクラッド層は、ｐ−ＩｎＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮが交互に繰り返し積層された超格子構造である。ｐ−ＩｎＧａＮのＩｎ組成比は５〜１２％であり、厚さは２ｎｍである。また、ｐ−ＡｌＧａＮのＡｌ組成比は２５〜４０％であり、厚さは２．５ｎｍである。また、ｐコンタクト層はＭｇ濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上で厚さが８０ｎｍのｐ−ＧａＮである。ｐコンタクト層はＭｇ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
The
電流阻止層１７はＳｉＯ2 からなり、ｐ層１３上であって、ｐ電極１５直下の領域に形成されている。電流阻止層１７を設けて平面視で電流阻止層１７に重なる発光層１２の一部領域を発光させないようにすることで、ｐ電極１５による光の遮蔽・吸収を抑制し、光出力の向上を図っている。また、ｐ層１３と電流阻止層１７との界面における反射あるいは屈折によって、電流阻止層１７上部のｐ電極１５に光が向かわないようにする。電流阻止層１７の平面パターンについては後述する。
The
電流阻止層１７は、発光波長に対して透光性を有し、かつ絶縁性を有した材料であって、屈折率がｐ層１３よりも小さな材料であれば、ＳｉＯ2 以外にも任意の材料を用いることができる。ｐ層１３が複数の層で構成される場合には、最も電流阻止層１７に近い層よりも屈折率が低ければよい。本実施例ではｐ層１３が基板側から順にｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層の積層であるから、ｐ型コンタクト層よりも低い材料であればよい。たとえば、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物などであり、具体的にはＳｉＯ2 、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、Ｎｂ2 Ｏ5 、ＭｇＦ2 などを用いることができる。それらの材料の単層でも多層でもよく、光学膜厚が１／４波長で屈折率が異なる２種類の膜を交互に積層させた誘電体多層膜としてもよい。そのような誘電体多層膜を用いると反射率の向上によってｐ電極１５へと向かう光が減少し、ｐ電極１５による光の吸収が低減されるため、発光効率をより向上させることが可能である。
The
電流阻止層１７の厚さｄ３は、λ／（４ｎ）（λは発光波長、ｎは電流阻止層１７の屈折率）より厚くすることが望ましい。λ／（４ｎ）より厚くすることで絶縁性と反射機能を十分とすることができる。より望ましくは１００ｎｍ以上である。また、電流阻止層１７の厚さは、１５００ｎｍ未満とすることが望ましい。これよりも厚いと、その厚さに起因する段差によって、ワイヤや透明電極１４、ｐ電極１５などに断切れなどの不具合が生じてしまう可能性があるためである。また、ｐ電極１５により光が遮蔽・吸収される割合も高まり、光取り出し率が低下してしまう。より望ましくは５００ｎｍ以下である。
The thickness d3 of the
また、電流阻止層１７は、その側面がｐ層１３表面に対して５〜６０°の傾斜を有していてもよい。すなわち、素子に垂直な断面での形状は台形状（テーパー形状）となっていてもよい。このような形状とすることで、透明電極１４、ｐ電極１５、ｐ電極１５と接続するワイヤなどの断切れを防止することができる。より望ましい傾斜角度は５〜３０°である。
The side surface of the
透明電極１４はＩＴＯからなり、ｐ層１３上および電流阻止層１７上に連続して形成されている。そのため、透明電極１４は、電流阻止層１７の上部で凸に波打った膜状の形状に形成されている。透明電極１４の表面に凹凸形状を設け、光取り出し効率を向上させてもよい。透明電極１４の材料にはＩＴＯ以外にも、発光波長に対して透光性を有した導電性材料を用いることができ、たとえばＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）、ＩＣＯ（セリウムドープの酸化インジウム）などを用いることができる。透明電極１４の厚さは、１０〜１００ｎｍとすることが望ましい。１０ｎｍより薄いと電流を拡散させることが難しくなり、１００ｎｍより厚いと透明電極１４自身による光吸収やｐ電極１５による光遮蔽・吸収が増大するため望ましくない。より望ましい厚さは２０〜８０ｎｍであり、さらに望ましくは３０〜７０ｎｍである。
The
ｐ電極１５は透明電極１４上に位置している。ｐ電極１５の材料は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどである。ここで記号「／」は、積層を意味し、Ａ／ＢはＡを成膜した後Ｂを成膜した積層構造であることを意味する。以下においても材料の説明において「／」を同様の意味で用いる。ｎ電極１６は、溝１９の底面に露出したｎ層１１のｎコンタクト層上に位置している。溝１９は、半導体層（ｎ層１１、発光層１２、ｐ層１３）の一部に設けられたものであり、ｐ層１３表面からｎ層１１のｎコンタクト層に達する深さである。図２のように、ｐ電極１５は、ワイヤ（図示しない）によって素子外部と電気的に接続するｐパッド部１５ａと、ｐパッド部１５ａに連続して線状に延びるｐ配線状部１５ｂを有している。このｐ配線状部１５ｂによって電流の面内拡散性を向上させ、発光の均一性を向上させるとともに光出力の向上を図っている。ｎ電極１６も同様に、ワイヤによって素子外部と電気的に接続するｎパッド部１６ａと、ｎパッド部１６ａに連続して線状に延びるｎ配線状部１６ｂを有している。
The
ｐ電極１５の厚さは、０．１〜５μｍとすることが望ましい。この範囲とすれば、ｐ電極１５の光遮蔽・吸収が抑制され、光出力を向上させることができる。より望ましくは１〜４．５μｍであり、さらに望ましくは１．５〜４μｍである。ｐ電極１５の厚さは、ｐパッド部１５ａとｐ配線状部１５ｂとで厚さを変えてもよい。
The thickness of the p-
次に、ｐ電極１５、ｎ電極１６、電流阻止層１７の平面パターンについて、図２を参照に順に説明する。
Next, planar patterns of the
図２のように、実施例１の発光素子は平面視において長方形である。その長方形の一方の短辺中央近傍に、ｐ電極１５のｐパッド部１５ａが位置している。そして、そのｐパッド部１５ａに連続して、長方形の各長辺に沿って延びる２本の直線状のパターンにｐ配線状部１５ｂが形成されている。
As shown in FIG. 2, the light-emitting element of Example 1 is rectangular in plan view. Near the center of one short side of the rectangle, the
次にｎ電極１６の平面パターンについて説明する。ｎ電極１６のｎパッド部１６ａは、ｐパッド部１５ａの配置側とは反対側の短辺中央近傍に位置している。そして、そのｎパッド部１６ａに連続して、長辺方向に延びる一本の直線状のパターンにｎ配線状部１６ｂが形成されている。このｎ電極１６を形成するための溝１９は、図２のように、ｎ電極１６の平面パターンよりも一回り大きいパターンに形成されている。
Next, the planar pattern of the
電流阻止層１７の平面パターンは、図２に示すように、ｐ電極１５の平面パターンよりも所定幅はみ出したパターンであり、およそｐ電極１５の平面パターンを相似拡大したパターンである。そのはみ出し幅Ｗについては後で詳しく説明する。
As shown in FIG. 2, the planar pattern of the
また、図３のように、ｐパッド部１５ａ中央部の直下の領域において、電流阻止層１７および透明電極１４に孔１８が開けられている。図３は、図２におけるＢ−Ｂでの断面を示した図である。Ｂ−Ｂは、平面視において、ｐパッド部１５ａを通り、ｐパッド部１５ａの外周に垂直な方向である。この孔１８を介してｐパッド部１５ａの中央部はｐ層１３に直接接しており、ｐパッド部１５ａの外周部のみが透明電極１４に接している。このように、ｐパッド部１５ａの中央部を透明電極１４ではなくｐ層１３に接触させることで、ｐパッド部１５ａの密着性を向上させている。また、ｐパッド部１５ａとｐ層１３ではコンタクトが悪いため、ｐパッド部１５ａから孔１８を介してｐ層１３へと流れる電流はほとんどない。そのため孔１８直下の発光層１２の一部領域は発光しない。つまり、ｐパッド部１５ａ中央部の直下に電流阻止層１７を設けた場合とほぼ同等の効果が得られる。
Further, as shown in FIG. 3, a
次に、電流阻止層１７のはみ出し部分について、図４を参照により詳細に説明する。図４は、図３におけるｐパッド部１５ａの端部近傍を拡大して示した図である。
Next, the protruding portion of the
図４のように、電流阻止層１７は、ｐ電極１５のｐパッド部１５ａに対して幅Ｗはみ出して形成されている。ここではみ出し幅Ｗは、平面視において、ｐ電極１５の外周に垂直な方向でのｐ電極１５の外周から電流阻止層１７の外周までの距離を示すものとする。ただし、ｐ電極１５あるいは電流阻止層１７の側端面が傾斜している場合にはｐ電極１５上面での外周と電流阻止層１７上面での外周との差である。このように電流阻止層１７が幅Ｗはみ出している結果、ｐパッド部１５ａ端部近傍は階段状の段差を有している。
As shown in FIG. 4, the
この階段状の段差の角度θ（°）は、ｐ層１３から透明電極１４へ向かう光の臨界角θｃ（°）近傍の角度となっている。臨界角θｃ近傍とは具体的にはθｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下の範囲である。角度θは、ｐパッド部１５ａの上面側角部１５ｃと、電流阻止層１７の上面側角部１７ｃとを結ぶ直線Ｌを取ったときに、直線Ｌが素子の主面に対して成す角度として定義する。また、臨界角θｃは、θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）、ここでｎ１はｐ層１３の屈折率、ｎ２は透明電極１４の屈折率、である。実施例１ではｐ層１３はＧａＮで屈折率２．５、透明電極１４はＩＴＯで屈折率１．８であるから、臨界角θｃは４６°であり、角度θの範囲は３６°以上５６°以下である。
The angle θ (°) of the stepped step is an angle near the critical angle θc (°) of light traveling from the
また、角度θは、ｐ電極１５の厚さをｄ１、透明電極１４の厚さをｄ２として、
θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｗ／（ｄ１＋ｄ２））
である。ここで、ｄ２はｄ１に比べて２桁ほど小さい値であり、
θ〜ａｒｃｔａｎ（Ｗ／ｄ１）
と近似できる。つまり、角度θはｐ電極１５の厚さに対する電流阻止層１７のはみ出し幅Ｗによっておおよそ決まる。
Further, the angle θ is set such that the thickness of the
θ = arctan (W / (d1 + d2))
It is. Here, d2 is a value that is two orders of magnitude smaller than d1,
θ to arctan (W / d1)
Can be approximated. That is, the angle θ is approximately determined by the protrusion width W of the
なお、上記説明はｐパッド部１５ａにおける電流阻止層１７のはみ出し幅Ｗであるが、ｐ配線状部１５ｂにおいても電流阻止層１７は同様に幅Ｗはみ出している。
In addition, although the said description is the protrusion width W of the
角度θを臨界角θｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下の範囲とするために、ｐ電極１５の厚さｄ１（外周部での厚さ）は０．１〜５μｍ、はみ出し幅Ｗは０．１〜５μｍとするとよい。
In order to make the angle θ in the range of the critical angle θc−10 ° or more and θc + 10 ° or less, the thickness d1 (thickness at the outer peripheral portion) of the
電流阻止層１７のはみ出し幅Ｗを、角度θが臨界角θｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下の範囲となるようにすると、光出力を向上させることができる。その理由は以下の通りである。
The light output can be improved by setting the protrusion width W of the
電流阻止層１７を設けると、ｐ電極２５の光遮蔽・吸収抑制という光出力向上にとってプラスの効果と、発光面積の減少という光出力向上にとってマイナスの効果の２つの相反する効果がある。この２つの効果のバランスは、角度θの制御によって取ることが可能である。
Providing the
はみ出し幅Ｗを小さくして角度θを小さくした場合、電流阻止層１７の面積は小さくなるので発光面積が増えて光出力は向上する。しかし、角度θが小さいために発光領域からｐ電極１５へ向かう光が増え、ｐ電極１５による光の遮蔽・吸収が増加して光取り出し率が低下する。
When the protrusion width W is reduced and the angle θ is reduced, the area of the
一方、はみ出し幅Ｗを大きくして角度θを大きくした場合、発光領域からｐ電極１５へ向かう光は減少し、ｐ電極１５による光の遮蔽・吸収が抑制されて光取り出し率が向上する。しかし、電流阻止層１７の面積が増大して発光面積が減少し、光出力は低下する。
On the other hand, when the protrusion width W is increased and the angle θ is increased, the light traveling from the light emitting region toward the
また、発光層１２から放射され、ｐ層１３から透明電極１４へ向かう光のうち、臨界角θｃ以上の入射角度の光はｐ層１３と透明電極１４の界面で全反射され、素子外部へ取り出すことはできない。つまり、素子外部へ取り出すことができるのは臨界角θｃよりも小さな光である。
Of the light emitted from the
これらのことから、角度θを０°から大きくしていくと、最初はｐ電極２５の光遮蔽・吸収抑制のプラスの効果が支配的で、全体として光出力は向上していくが、角度θが臨界角θｃ以上となると、ｐ電極２５の光遮蔽・吸収抑制の効果は次第に飽和していき、発光面積の減少のマイナスの効果が支配的となっていく。その結果、θが臨界角θｃでは素子全体としては光出力が減少していく。
From these facts, when the angle θ is increased from 0 °, the positive effect of the light shielding / absorption suppression of the p-
したがって、角度θは臨界角θｃ付近とすることが望ましく、光出力を十分に向上させるためには、θはθｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下とするのがよい。角度θが上記範囲であれば、はみ出し幅Ｗを一定とする平面パターンに電流阻止層１７が形成されていなくともよい。より望ましい角度θの範囲はθｃ−５°以上θｃ＋５°以下であり、さらに望ましくはθｃ−３°以上θｃ＋３°以下である。
Therefore, it is desirable that the angle θ be close to the critical angle θc. In order to sufficiently improve the light output, it is preferable that θ be θc−10 ° or more and θc + 10 ° or less. If the angle θ is within the above range, the
実施例１の場合、臨界角θｃは４６°であるから、角度θは、３６°以上５６°以下とするのがよい。より望ましくは４１°以上５１°以下であり、さらに望ましくは４３°以上４９°以下である。 In the case of Example 1, the critical angle θc is 46 °, and therefore the angle θ is preferably 36 ° or more and 56 ° or less. More desirably, it is 41 ° or more and 51 ° or less, and further desirably 43 ° or more and 49 ° or less.
以上、実施例１では、電流阻止層１７がｐ電極１５よりも幅Ｗはみ出して設けられ、そのはみ出しによる段差の角度θをθｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下としている。これにより、ｐ電極１５の光の遮蔽・吸収抑制によるプラスの効果と、非発光領域の拡大による光出力低下のマイナスの効果とのバランスが取れ、発光素子の光出力を向上させることができる。
As described above, in Example 1, the
［実験例］
図５は、ｐ電極１５の厚さｄ１に対する電流阻止層１７のはみ出し幅Ｗの比率（Ｗ／ｄ１）と光出力との関係を示したグラフである。光出力は、Ｗ／ｄ１が２００％の場合の実際の出力値を基準とした相対値である。ｄ１は２μｍで固定し、はみ出し幅Ｗを変化させた。また、電流阻止層１７の厚さは０．２μｍ、透明電極１４の厚さは５０ｎｍとした。
[Experimental example]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the ratio of the protrusion width W of the
図５のように、Ｗ／ｄ１が１００％のとき（すなわち角度θが４５°）までは、Ｗ／ｄ１が増加に伴い光出力も増加していき、１００％を越えると光出力は次第に減少していく。その減少はおよそ線形である。この結果から、光出力のピークは角度θを臨界角θｃとした場合であることが推察される。 As shown in FIG. 5, the light output increases as W / d1 increases until W / d1 is 100% (that is, the angle θ is 45 °), and the light output gradually decreases when it exceeds 100%. I will do it. The decrease is approximately linear. From this result, it is inferred that the peak of light output is the case where the angle θ is the critical angle θc.
図６は、実施例２のIII 族窒化物半導体からなる発光素子の構成を模式的に示した断面図である。図７は、実施例２の発光素子を上方から見た平面図である。図６は図７におけるＡ−Ａでの断面図である。図７のように、実施例２の発光素子は平面視で長方形のフェイスアップ型素子である。 FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a light-emitting element made of a group III nitride semiconductor of Example 2. FIG. 7 is a plan view of the light-emitting element of Example 2 as viewed from above. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. As shown in FIG. 7, the light emitting element of Example 2 is a rectangular face-up element in plan view.
実施例２の発光素子は、図６のように、基板２０と、基板２０上にバッファ層（図示しない）を介して位置するｎ層２１と、ｎ層２１上に位置する発光層２２と、発光層２２上に位置するｐ層２３を有している。ｎ層２１、発光層２２、ｐ層２３はIII 族窒化物半導体からなる。また、ｐ層２３表面側からｎ層２１に達する溝が形成され、溝の底面にはｎ層２１が露出する。また、ｐ層２３上に位置する透明電極２４と、透明電極２４上、および溝底面に露出するｎ層２１上に連続して位置する絶縁膜２９と、を有している。そして、絶縁膜２９上にはｐ電極２５とｎ電極２６がそれぞれ分離して設けられている。さらに、ｐ層２３と透明電極２４との間の所定領域には、電流阻止層２７が設けられている。
As shown in FIG. 6, the light emitting device of Example 2 includes a
絶縁膜２９は、溝の底面に露出するｎ層２１表面から透明電極２４表面にかけて覆うようにして形成されている。絶縁膜２９は、ＳｉＯ2 からなる。ＳｉＯ2 以外にも、ＳｉＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＯ2 などを用いることができる。また、絶縁膜２９の所定の位置に孔３１が設けられ、絶縁膜２９を貫通している。この孔３１は、後に説明するｐ電極２５のｐ配線状部２５ｂによって埋められている。
The insulating
絶縁膜２９中であって、平面視においてｐ電極２５、ｎ電極２６に重なる領域には、反射膜３０が設けられている。反射膜３０は絶縁膜２９中にあるため、電気的に絶縁されており、マイグレーションが防止される。この反射膜３０は、ｐ電極２５、ｎ電極２６方向へ向かう光を反射させることでｐ電極２５、ｎ電極２６による光の吸収を抑制し、これにより発光効率を向上させるために設けるものである。
A
反射膜３０は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｌ合金、Ａｇ合金など、ｐ電極２５やｎ電極２６の材料よりも反射率の高い材料からなる。反射膜３０は単層としてもよいし多層としてもよい。多層とする場合、Ａｌ合金／Ｔｉ、Ａｇ合金／Ａｌ、Ａｇ合金／Ｔｉ、Ａｌ／Ａｇ／Ａｌ、Ａｇ合金／Ｎｉなどを用いることができる。反射膜３０と絶縁膜２９との密着性を向上させるために、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌなどの薄膜を、反射膜３０と絶縁膜２９との間に設けてもよい。
The
また、反射膜３０として、誘電体多層膜を採用することもできる。誘電体多層膜は、低屈折率材料と高屈折率材料が交互に積層され、それぞれの光学膜厚が発光波長の１／４に設計された多層膜である。低屈折率材料としては、ＳｉＯ2 、ＭｇＦ2 、などを用いることができ、高屈折率材料としては、ＳｉＮ、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、Ｎｂ2 Ｏ5 などを用いることができる。誘電体多層膜の反射率を向上させるために、低屈折率材料と高屈折率材料の屈折率差は大きいほど望ましい。また、積層ペア数も大きいほど望ましく、５ペア以上とすることが望ましい。ただし、誘電体多層膜の総膜厚が大きくなり、製造工程において不具合を生じないよう、積層ペア数は３０ペア以下とするのがよい。
Further, a dielectric multilayer film can be employed as the
ｐ電極２５は、ｐパッド部２５ａ、ｐ配線状部２５ｂ、ｐコンタクト部２５ｃ、によって構成されている。
The
ｐパッド部２５ａは、絶縁膜２９上に位置した円形の領域であり、ワイヤによって素子外部と電気的に接続される領域である。ｐ配線状部２５ｂは、絶縁膜２９上に位置し、ｐパッド部２５ａから延びる配線状の部分であり、配線状とすることで電流を面方向に拡散させるものである。また、ｐ配線状部２５ｂは、絶縁膜２９に設けられた孔３１の内部にも形成されている。ｐコンタクト部２５ｃは、透明電極２４上に設けられた複数のドット状の円形の領域である。また、ｐコンタクト部２５ｃは、絶縁膜２９に設けられた孔３１を介して、ｐ配線状部２５ｂと接続されている。このｐコンタクト部２５ｃは、ｐ電極２５と透明電極２４とが良好にコンタクトをとるために設けるものである。なお、孔３１とｐコンタクト部２５ｃは、平面視で同一形状である必要はなく、平面視において孔３１がｐコンタクト部２５ｃに含まれる形状であればよい。
The
図７のように、ｐパッド部２５ａは、一方の短辺中央近傍に位置している。そのｐパッド部２５ａから、２本の直線状のｐ配線状部２５ｂが延びている。ｐ配線状部２５ｂは、一方の長辺近傍に、その長辺に沿って延びる直線状の部分と、他方の長辺近傍に、その長辺に沿って延びる直線状の部分とを有している。その直線状部分は、孔３１によって面垂直方向に分岐していて、その分岐端で円形のｐコンタクト部２５ｃに接続している。
As shown in FIG. 7, the p-
ｎ電極２６は、ｐ電極２５と同様に、ｎパッド部２６ａ、ｎ配線状部２６ｂ、ｎコンタクト部２６ｃによって構成されていて、それぞれの部分の役割もｐ電極２５の場合と同様である。図７のように、ｎパッド部２６ａは、ｐパッド部２５ａが位置する側とは反対側の短辺中央近傍に位置している。そして、ｎパッド部２６ａから一本の直線状のｎ配線状部２６ｂが長辺に沿って延びていて、ｎ配線状部２６ｂの２本の直線状の間に位置している。
Similarly to the
ｐ電極２５のうちｐパッド部２５ａを除く領域、およびｎ電極２６のうちｎパッド部２６ａを除く領域は、保護膜３２が形成されている。電流のショートなどを防止するためである。
A
電流阻止層２７は、図６に示すように、平面視においてｐコンタクト部２５ｃを含む領域にのみ位置している。また、図７のように、電流阻止層２７は平面視において、中心をｐコンタクト部２５ｃと同一とする円である。
As shown in FIG. 6, the
ｐ電極２５の他の部分、ｐパッド部２５ａとｐ配線状部２５ｂと重なる領域には、実施例２のように電流阻止層２７を設けないことが望ましい。ｐパッド部２５ａと重なる領域に設けない理由は、実施例１の場合と異なり実施例２の素子では反射膜３０が設けられておりｐパッド部２５ａへ向かう光は低減できるので、この領域に電流阻止層２７を設けても発光効率の向上はわずかであり、素子作製の容易さ、製造コストなどから設けない方が好ましいためである。ｐ配線状部２５ｂと重なる領域に設けない理由は、この領域に電流阻止層２７を設けるとかえって発光効率を低下させてしまうからである。これに対し、ｐコンタクト部２５ｃと重なる領域は反射膜３０を設けることができない領域であるから、そこに電流阻止層２７を設けることで、ｐコンタクト部２５ｃによる光遮蔽・吸収を効果的に抑制することができる。
It is desirable that the
電流阻止層２７は、ｐ電極２５のｐコンタクト部２５ｃに対して幅Ｗはみ出して形成されている。ここではみ出し幅Ｗは、平面視において、ｐコンタクト部２５ｃの外周に垂直な方向でのｐ電極２５の外周から電流阻止層２７の外周までの距離を示すものとする。このように電流阻止層２７が幅Ｗはみ出している結果、ｐコンタクト部２５ｃ端部近傍は階段状の段差を有している。
The
この階段状の段差の角度θ（°）は、ｐ層２３から透明電極２４へ向かう光の臨界角θｃ（°）近傍の角度となっている。臨界角θｃ近傍とは具体的にはθｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下の範囲である。角度θの定義は実施例１と同様である。すなわち、ｐコンタクト部２５ｃの上面側角部と、電流阻止層２７の上面側角部とを結ぶ直線Ｌを取ったときに、直線Ｌが素子の主面に対して成す角度である。このように、角度θをθｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下の範囲としているため、光出力を向上させることができる。
The angle θ (°) of the stepped step is an angle near the critical angle θc (°) of light traveling from the p layer 23 to the
電流阻止層２７の総面積、つまり各ｐコンタクト部２５ｃごとに分散されて設けられた電流阻止層２７の面積をすべて足し合わせた面積は、ｐパッド部２５ａの面積よりも小さい。これにより、ｐ層２３と透明電極２４とが接触する面積を広く取ることができ、コンタクト抵抗を低減することができるので、駆動電圧を低減することができる。
The total area of current blocking layers 27, that is, the total area of current blocking layers 27 distributed and provided for each
他の電流阻止層２７の構成（材料、厚さ、側面の傾斜など）は、実施例１の電流阻止層１７と同様とすることができる。
The configuration of other current blocking layers 27 (material, thickness, side slope, etc.) can be the same as that of the
以上、実施例２の発光素子では、実施例１と同様に、電流阻止層２７がｐ電極２５よりも幅Ｗはみ出して設けられ、そのはみ出しによる段差の角度θをθｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下としているので、光出力を向上させることができる。また、電流阻止層２７の総面積をｐパッド部２５ａよりも小さくしているので、駆動電圧を低減することができる。
As described above, in the light emitting device of Example 2, the
なお、本発明は実施例１、２のようなフェイスアップ型の素子だけでなく、フリップチップ型の素子にも適用することができる。 The present invention can be applied not only to the face-up type elements as in the first and second embodiments but also to the flip-chip type elements.
また、本発明においてｐ電極、ｎ電極の平面パターンは、実施例１、２に示したパターン以外も採用することができる。たとえば、ｐ電極のｐ配線状部のパターンは、長方形の短辺および長辺に沿ったループ状のパターンに形成してもよい。ｐ配線状部をループ状とすることで、素子の信頼性を向上させることができる。つまり、仮にｐ配線状部の一部が断線しても、逆回りに電流が流れるので発光面積の減少を抑制でき、光出力の減少を抑制できる。また、ｎ電極はｎパッド部のみでｎ配線状部を有しないパターンとしてもよい。その場合、ｐ電極は、ｐパッド部から長辺に沿って延びる一本の直線状としたパターンや、ｐパッド部から長辺に沿って延びる一本の直線が素子中央付近で短辺に沿って二股に分岐するパターンとしてもよい。 Further, in the present invention, the plane pattern of the p electrode and the n electrode may be other than the patterns shown in the first and second embodiments. For example, the pattern of the p-wiring portion of the p-electrode may be formed in a loop pattern along the short side and the long side of the rectangle. The reliability of the element can be improved by making the p-wiring portion into a loop shape. That is, even if a part of the p-wiring portion is disconnected, the current flows in the reverse direction, so that the reduction of the light emitting area can be suppressed and the reduction of the light output can be suppressed. Further, the n electrode may be a pattern having only n pad portions and no n wiring portions. In that case, the p electrode has a single linear pattern extending from the p pad portion along the long side or a single straight line extending from the p pad portion along the long side along the short side near the center of the element. Alternatively, the pattern may be bifurcated.
また実施例１において、電流阻止層は、平面視においてｐパッド部を含む領域とｐ配線状部を含む領域の両方に設けているが、少なくともｐパッド部を含む領域に設けられていればよい。ただし、ｐ配線状部を含む領域にも設けることにより、さらなる光取り出しの向上を図ることができる。また実施例２において、平面視においてｐ配線状部と重なる領域に反射膜を設けない場合には、その領域に電流阻止層を設けてもよい。また、平面視においてｐパッド部と重なる領域に反射膜を設けない場合には、その領域に電流阻止層を設けてもよい。 Further, in Example 1, the current blocking layer is provided in both the region including the p pad portion and the region including the p wiring portion in plan view, but it is sufficient that the current blocking layer is provided in at least the region including the p pad portion. . However, the light extraction can be further improved by providing it also in the region including the p-wiring portion. In Example 2, when a reflective film is not provided in a region overlapping the p-wiring portion in plan view, a current blocking layer may be provided in that region. In addition, when a reflective film is not provided in a region overlapping with the p pad portion in plan view, a current blocking layer may be provided in that region.
本発明のIII 族窒化物半導体からなる発光素子は、照明装置や表示装置の光源として利用することができる。 The light-emitting element comprising the group III nitride semiconductor of the present invention can be used as a light source for a lighting device or a display device.
１０、２０：基板
１１、２１：ｎ層
１２、２２：発光層
１３、２３：ｐ層
１４、２４：透明電極
１５、２５：ｐ電極
１５ａ、２５ａ：ｐパッド部
１５ｂ、２５ｂ：ｐ配線状部
１６、２６：ｎ電極
１６ａ：ｎパッド部
１６ｂ：ｎ配線状部
１７、２７：電流阻止層
１８、３１：孔
２５ｃ：ｐコンタクト部
２６ｃ：ｎコンタクト部
２９：絶縁膜
３０：反射膜
10, 20:
Claims (8)
前記ｐ層と前記透明電極との間に、絶縁性と透光性を有し、前記ｐ層よりも屈折率の小さな材料からなる電流阻止層を有し、
前記電流阻止層は、平面視において前記ｐ電極よりも外側にはみ出して設けられ、
前記ｐ電極の上面側角部と前記電流阻止層の上面側角部とを結ぶ直線が主面に垂直な方向に対して成す角度θは、ｐ層から透明電極に光が入射する際の臨界角をθｃ（°）として、θｃ−１０°以上θｃ＋１０°以下である、
ことを特徴とする発光素子。 In a light-emitting element composed of a group III nitride semiconductor in which a transparent electrode and a p electrode are sequentially disposed on a p layer composed of a group III nitride semiconductor,
Between the p layer and the transparent electrode, has a current blocking layer made of a material having insulating properties and translucency and having a refractive index smaller than that of the p layer,
The current blocking layer is provided so as to protrude outward from the p electrode in plan view,
An angle θ formed by a straight line connecting the upper surface side corner of the p electrode and the upper surface side corner of the current blocking layer with respect to a direction perpendicular to the main surface is a critical point when light enters the transparent electrode from the p layer. The angle is θc (°) and θc−10 ° or more and θc + 10 ° or less.
A light emitting element characterized by the above.
前記電流阻止層は、平面視において前記ｐ電極よりも０．１〜５μｍはみ出して設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。 The p electrode has a thickness of 0.1 to 5 μm,
The current blocking layer is provided so as to protrude by 0.1 to 5 μm from the p electrode in a plan view.
The light-emitting element according to claim 1.
前記接続部の一部領域は、前記第１の孔を介して前記ｐ層と接する、
ことを特徴とする請求項５に記載の発光素子。 The current blocking layer and the transparent electrode have a first hole in a region overlapping the connection portion in a plan view,
A partial region of the connection portion is in contact with the p layer through the first hole.
The light-emitting element according to claim 5.
前記絶縁膜に開けられた第２の孔によって前記透明電極と前記ｐ電極とが電気的に接続されており、
前記ｐ電極は、前記配線状部に接続し、前記第２の孔を介して前記透明電極と接触するコンタクト部をさらに有し、
前記絶縁膜中であって、平面視において前記接続部および前記配線状部と重なる領域に反射膜を有し、
前記電流阻止層は、平面視において前記コンタクト部を含む領域にのみ設けられていて、
前記電流阻止層の総面積は、前記ｐ電極の前記接続部の面積よりも小さい、
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の発光素子。 Further comprising an insulating film between the transparent electrode and the p-electrode,
The transparent electrode and the p electrode are electrically connected by a second hole opened in the insulating film,
The p-electrode further has a contact portion connected to the wiring-like portion and in contact with the transparent electrode through the second hole,
In the insulating film, having a reflective film in a region overlapping the connection portion and the wiring-like portion in plan view,
The current blocking layer is provided only in a region including the contact portion in plan view,
A total area of the current blocking layer is smaller than an area of the connection portion of the p-electrode;
The light-emitting element according to claim 5, wherein the light-emitting element is provided.
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