JP2017195423A - Light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光素子およびそれを用いた発光素子アレイに関する。特に、発光素子の光取出し効率を向上させるとともに、配光特性の制御も可能とする半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a light emitting element and a light emitting element array using the light emitting element. In particular, the present invention relates to a semiconductor light emitting device that can improve the light extraction efficiency of the light emitting device and can control the light distribution characteristics.
特許文献1では三角柱形状(特許文献1の図6)あるいは三角錐台形状(特許文献1の図10)の発光素子が提案されている(特許文献1図6、図10参照。)。特許文献1では、発光素子の外面を鋭角とすることで、発光素子内部で一度全反射された光が次の面へ入射する角度が小さくなるようにし、発光素子内部における全反射の繰り返しが抑制できる旨が記載されている。特許文献2の請求項5も同様である。 Patent Document 1 proposes a light-emitting element having a triangular prism shape (FIG. 6 of Patent Document 1) or a triangular frustum shape (FIG. 10 of Patent Document 1) (see FIGS. 6 and 10 of Patent Document 1). In Patent Document 1, by setting the outer surface of the light emitting element to an acute angle, the angle at which light once totally reflected inside the light emitting element is incident on the next surface is reduced, and the repetition of total reflection inside the light emitting element is suppressed. It states that it can be done. The same applies to claim 5 of Patent Document 2.
しかし、特許文献1や特許文献2のような形状の発光素子では、活性層で発生した光が発光素子外部に取り出されるまでに発光素子内部を伝播する距離が長いため、光取出し効率を十分に高めることができなかった。 However, in the light emitting device having the shape as in Patent Document 1 and Patent Document 2, since the distance that the light generated in the active layer propagates inside the light emitting device before it is extracted outside the light emitting device, the light extraction efficiency is sufficiently high. I couldn't increase it.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光取り出し効率を向上させた発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a light emitting element with improved light extraction efficiency.
本発明に係る発光素子は、半導体部を有する発光素子であって、前記発光素子の平面形状が凹多角形であり、前記凹多角形の内角のうち、1以上の内角が鋭角である。 The light-emitting element according to the present invention is a light-emitting element having a semiconductor portion, wherein the planar shape of the light-emitting element is a concave polygon, and one or more inner angles of the inner angles of the concave polygon are acute angles.
これにより、発光素子内部での光吸収を抑制し、光取出し効率を高めることができる。 Thereby, the light absorption inside a light emitting element can be suppressed, and light extraction efficiency can be improved.
以下に図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the form shown below is the illustration for materializing the technical idea of this invention, Comprising: This invention is not limited to the following. In addition, the size, positional relationship, and the like of the members illustrated in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Further, in principle, the same name and reference sign indicate the same or the same members, and a duplicate description will be omitted as appropriate.
(発光素子)
図1に、本発明の第1の実施形態にかかる発光素子100の概略斜視図を示す。なお、本発光素子において、図1の下側(第1電極40側、つまり実装面側)を「下」と表現し、図1の上側(第2電極30側、つまり、実装面と反対側)を「上」と表現している。
(Light emitting element)
FIG. 1 is a schematic perspective view of a
図1に示すように、第1の実施形態において、発光素子100は、その平面形状が凹多角形(凹角を有する多角形)であり、凹多角形の内角のうち、1以上の内角が凹角(180°よりも大きく、360°よりも小さい角度)であり、1以上の内角が鋭角である。ここで、平面形状とは、上方および下方から発光素子100を見たときの形状である。平面形状において内角に1以上の鋭角を設けることにより、発光素子100の内部で生じた光が発光素子100の内部で全反射を繰り返すことを抑制し、光取出し効率を向上させることができる。さらに、平面形状において内角に凹角を設けることにより、凹角を設けない場合と比較して、光が外部に取り出されるまでに光が通る距離を短くできるので、電極などによる発光素子100内部における光の吸収も抑制できる(詳細は後述する。)。つまり、発光素子100は、この両者の構成を備えることにより、光取出し効率を飛躍的に向上させることができる。
As shown in FIG. 1, in the first embodiment, the
図1に示すように、発光素子100は、基板10上に、第1半導体層21、活性層22、第2半導体層23からなる半導体部20を有している。基板10の下面には光反射性を有する第1電極40が設けられている。また、半導体部20の上面には、透明電極31とパッド電極32から構成される第2電極30が設けられている。そして、発光素子100は、平面形状が、鋭角である1以上の内角と、凹角である1以上の内角と、を有する多角形である。
As shown in FIG. 1, the
なお、本実施形態において、第1電極40をn電極、第2電極30をp電極とすることが典型的であるが、第1電極40をp電極、第2電極30をn電極とすることも可能である。
In this embodiment, the
なお、図1においては、半導体部20の外形と第1電極40および透明電極31の外形が一致したように描いているが、実際は第1電極40および透明電極31の外形を半導体部20の外形より小さくしてもよい。また、活性層22が露出した側面近傍は、短絡防止のため絶縁膜により覆われていてもよい。そして、鋭角部分はチッピング防止のため鋭角部の先端が丸くなるようにしてもよい。
In FIG. 1, the outer shape of the semiconductor portion 20 is drawn so that the outer shapes of the
発光素子100の効果を、図2を用いて従来例と比較しながら説明する。図2は、発光素子内部の点Pで生じた光が外部へ取り出されるまでの平面視における距離の長さを示すものである。図2(a)に、発光素子の平面形状が、平面形状が凹四角形である発光素子100を示し、図2(b)に、発光素子の平面形状が凸三角形である従来例を示す。図2(a)のように内角の1つを凹角とすることで、図2(b)のように凸多角形とする場合よりも、発光素子内部の点Pから多角形の各辺、すなわち発光素子の側面までの距離を短くすることができる。光が発生した位置から光が取り出される側面までの距離を短くすることで、活性層22で発生した光が発光素子内部の電極などにより吸収されるのを抑制することができる。その結果、光取り出し効率の高い発光素子100とすることができる。
The effect of the
発光素子100の平面形状は、凹多角形の中でも、図1に示すような、3つの内角が鋭角であり1つの内角が凹角である凹四角形とすることが好ましい。凹四角形とすることで、内角のうち凹角以外のすべての角を鋭角とすることが可能である。凹角以外の角がすべて鋭角である場合、鋭角を構成する2面間において、発光素子100の内部で発生した光が側面に入射する際の入射角を小さくすることができる。そのため、側面に入射した光のうち、発光素子100の内部へ全反射する割合を少なくし、外部へ取り出される割合を多くすることができる。すなわち、発光素子100の光取り出し効率を高めることが可能である。また、凹四角形は凹五角形や凹六角形と比べて形が単純なので、製造過程において、各層が積層された基板10(以下、ウェハー)から発光素子100を切り出す際、他の凹多角形と比べてより割れや欠けを抑制することができる。そのため、製造工程における歩留まりを良好とすることができる。
The planar shape of the
発光素子100の平面形状は、1種類の発光素子100の平面形状を複数用いて組み合わせることで平面を敷き詰めることができる、所謂、平面充填が可能な形状とすることが好ましい。図3に、発光素子100の平面形状を用いて平面充填を行う例を示す。発光素子100の平面形状を、1種類の平面形状を用いて平面充填可能な形状とすることで、各半導体層が積層された基板(以下、ウェハー)から発光素子100を切り出す際、ウェハーを無駄にすることなく複数の発光素子100へと分割できる。平面充填可能な凹多角形としては、凹四角形の他に、凹角を2つ有する平行六辺形(図4(a)、発光素子200)や、凹角を2つ有する平行六辺形を合同な2つの凹多角形に分割してできた図形(図4(b)、発光素子300)、平行六辺形の一部を切り取り他辺に貼りつけてできた図形(図4(c)、発光素子400)などが挙げられる。
The planar shape of the
各部材の材料や膜厚は特に限定されず、公知のものを適宜使用できる。本実施形態においては、基板10の上に半導体部20を形成するため、基板10の材料としては、半導体部20をエピタキシャル成長させるのに適した材料から形成される。図1の場合は、基板10上の半導体部20を形成しない面に第1電極40を形成し、半導体部20上に第2電極30を形成するため、両電極の間に配置される基板10は、導電性を有する。そのため、窒化物半導体(GaNなど)やGaAs、GaP、Si、SiCなどが基板10の材料として挙げられ、例えば厚さ約300μmの(0001)面を主面とするn型GaN基板を用いることが可能である。
The material and film thickness of each member are not particularly limited, and known materials can be used as appropriate. In the present embodiment, since the semiconductor portion 20 is formed on the
具体的には、例えば、GaNからなる基板10の上に、半導体部20として多層構造のIII族窒化物系化合物半導体層を形成することができる。半導体部20は、例えば、第1半導体層21を4.6μm厚Siドープn型GaN層とし、活性層22を井戸層(3nm厚のIn0.3 Ga0.7 N)と障壁層(25nm厚の GaN)からなる多重量子井戸構造(井戸数6)とし、第2半導体層23を20nm厚Mgドープp型Al0.2 Ga0.8 N0.2μm厚Mgドープp型GaN層とすることができる。第1電極40としては、例えばTi/Al/Ni/Auや、Ti/Al、Ti/Al/Ti/Pt/Alなどが、第2電極30の透明電極31としては例えば60nm厚のITO(酸化インジウムスズ)などが、パッド電極32としてはPt/Au、Ti/Rh/Auなどがそれぞれ利用できる。
Specifically, for example, a group III nitride compound semiconductor layer having a multilayer structure can be formed as the semiconductor portion 20 on the
なお、図1のような形態の他にも種々の形態のものが考えられる。例えば、他の形態として、基板10にサファイヤなどの絶縁性透光基板を使用し、半導体部20における基板10側の面とは異なる面に第1電極40および第2電極30を形成したフリップチップ構造の発光素子とすることができる。また、CuWなどの導電性で非透光性の支持基板の上に導電性接着層、第2電極30、半導体部20、第1電極40を設けた構造のものとすることもできる。また、本実施形態では第2電極30に透明電極31を有することで、発光素子100の側面と同時に上面からも光を取り出す構造としているが、例えば第1電極40および第2電極30に光反射性を持たせることで、発光素子100の側面からのみ光を取り出す構成とすることも可能である。
Various forms other than the form shown in FIG. 1 are conceivable. For example, as another embodiment, a flip chip in which an insulating light-transmitting substrate such as sapphire is used as the
(発光素子アレイ)
上記のような発光素子を複数並べ、実装基板に実装することで、発光素子アレイとすることができる。図5は、発光素子アレイの例を示したものである。図5(a)に、発光素子100を凹角の向きが配列方向と等しくなるように並べた発光素子アレイ1000を示す。発光素子アレイ1000においては、図5(a)に示すように、発光素子100の平面形状における凹多角形の凹角を構成する辺と、凹角に隣接する凸角の頂点どうしを結ぶ直線(凹多角形の外部を通る対角線)により囲まれる領域(領域R)の内側に、他の発光素子の一部が配置されるように並べることが好ましい。ここで、凹角に隣接する凸角とは、凹角を構成する辺が、凹角と異なる側の端部において他の辺との間でなす凸角のことである。言い換えれば、発光素子アレイ1000においては、発光素子100の平面形状における凹角以外の全ての凸角の頂点をそれぞれ直線で結ぶことによって囲まれる領域から、凹多角形の内部を除いた多角形形状の領域内に、他の発光素子の一部が配置されていることが好ましい。そうすることで、発光素子100の側面側から発光素子アレイを見渡したときに、各発光素子間に間隔が空いていないように見えるため、発光素子アレイを発光させた際、側面方向における輝度ばらつきを抑制することができる。
(Light emitting element array)
By arranging a plurality of the light emitting elements as described above and mounting them on a mounting substrate, a light emitting element array can be obtained. FIG. 5 shows an example of a light emitting element array. FIG. 5A shows a light-emitting
図5(b)に、図4(c)に示されるような、平面形状において複数ある内角のうちの隣り合う2つが凹角である発光素子400を並べて発光素子アレイ2000とする場合を示す。その場合も、図5(a)と同様の領域R内に、他の発光素子の一部が配置されること(凹角以外の全ての凸角の頂点をそれぞれ直線で結ぶことによって囲まれる領域から、凹多角形の内部を除いた多角形形状の領域内に、他の発光素子の一部が配置されていること)が好ましい。そうすることで、図5(a)の発光素子アレイ1000によって得られる効果と同様の効果を得ることができる。なお、複数の種類の平面形状の発光素子を用いて発光素子アレイとすることも可能である。例えば、図1のような平面形状の発光素子100と、図4(c)のように複数の凹角が隣り合う平面形状の発光素子400を並べた発光素子アレイとすることも可能である。
FIG. 5B shows a case where a light emitting
図5(c)は、比較のための従来例であり、従来の直方体形状の発光素子を並べたアレイである。この場合、発光素子内部で発生し側面から取り出された光は、隣接する発光素子の側面との間で反射を繰り返すうちに、隣接する発光素子に吸収されて減衰する。一方、図5(a)や図5(b)の場合、発光素子の凹角を形成する2辺と、隣接する発光素子の凸角を構成する2辺との距離が、凹角から遠くなるにつれ大きくなるように配置される。そうすることで、図5(a)および図5(b)に矢印で示すように、発光素子同士の距離が一定である場合(図5(c))と比較して、発光素子側面から取り出された光が隣接する発光素子との間で反射する回数を減らすことが可能である。 FIG. 5C is a conventional example for comparison, which is an array in which conventional rectangular parallelepiped light emitting elements are arranged. In this case, the light generated inside the light emitting element and extracted from the side surface is absorbed and attenuated by the adjacent light emitting element while being repeatedly reflected from the side surface of the adjacent light emitting element. On the other hand, in the case of FIGS. 5A and 5B, the distance between the two sides forming the concave angle of the light emitting element and the two sides forming the convex angle of the adjacent light emitting element increases as the distance from the concave angle increases. It is arranged to become. By doing so, as shown by the arrows in FIGS. 5A and 5B, the light emitting elements are taken out from the side surface as compared with the case where the distance between the light emitting elements is constant (FIG. 5C). It is possible to reduce the number of times the reflected light is reflected between adjacent light emitting elements.
発光素子アレイの他の形態として、図6(a)に示すように、発光素子100の凹角の向きが配列方向に対して略垂直となるよう並べることも可能である。その場合、凹角の角度を調節することで、凹角側から出射する光の量を調整できる。そうすることで、非対称な配光分布を有する発光素子とすることができ、コープ照明などの間接照明に好適に利用することができる。その他にも、図6(b)に示すように、発光素子100を環状に配置することも可能である。そのように配置することで、スポットライト用光源として好適に利用することができる。
As another form of the light emitting element array, as shown in FIG. 6A, the
(発光素子の製造方法)
以下に、本実施形態に係る発光素子100の製造方法の一例を具体的に説明する。
(Manufacturing method of light emitting element)
Below, an example of the manufacturing method of the
(半導体部成長工程)
基板10上((0001)面上)に、第1半導体層21、活性層22、第2半導体層23で構成される半導体部20を、例えばMOCVD法などを用いてエピタキシャル成長させる。基板10には、その一端に結晶方位を示すオリエンテーションフラット(Orientation Flat)がGaN単結晶の(10−10)面がでるように設ける。MOCVD法による結晶成長では、キャリアガスとして水素(H2)または窒素(N2)、III族原料であるGa源としてトリメチルガリウム(TMG)またはトリエチルガリウム(TEG)、Al源としてトリメチルアルミニウム(TMA)、In源としてトリメチルインジウム(TMI)、V族原料であるN源としてアンモニア(NH3)、を用い、ドーパントとしては、n型にはSi原料としてモノシラン(SiH4)を、p型にはMg原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いる。これらの原料ガスの供給量を変化させることにより、各III族窒化物系化合物半導体層の組成を調整することができる。結晶成長は例えば約1気圧(約100kPa)にて行うことができる。
(Semiconductor part growth process)
On the substrate 10 (on the (0001) plane), the semiconductor portion 20 composed of the
(第2電極形成工程)
第2半導体層23上に、フォトリソグラフィ、反応性イオンエッチング、CVD(Chemical Vapor Deposition)、スパッタリング、蒸着、リフトオフ、アニールなど公知の半導体ウェハープロセス技術を用いて、第2電極30を形成する。まず、第2半導体層23上の所定の位置に通常のフォトリソグラフィ、スパッタリング、およびリフトオフを用いて透明電極31を形成する。次に、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングを用いて、略凹多角形(例えば、図7に示されるような、内角が240°、30°、60°、30°であり、辺の長さが約1mm、約0.58mm、約0.58mm、約1mmである、図1と対応する凹四角形)の外周として幅50μm程度の溝を形成し、第1半導体層21を溝底に露出させる。発光素子100の平面形状を凹四角形、凹四角形のうち長い方の辺を基板のオリエンテーションフラットと平行になるようにすることで、発光素子100の側面を{10−10}面と{11−20}面とで構成でき、チップ分割がより容易となる。次に反応性イオンエッチングのマスクとなったレジストを除去し、その後、プラズマCVD法により全面にSiO2などからなる絶縁膜を成膜する(図示せず。)。続いて、透明電極31の上の絶縁膜の一部に、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングを用いてコンタクト孔を開け、コンタクト孔を覆うようにパッド電極32を所定の形状に形成する。
(Second electrode forming step)
The
(ウェハー研磨工程)
次に第2電極30形成後のウェハーを研磨し厚さを調整する。研磨用のホルダにウェハーを貼り付け、研磨面となるウェハーの下面((000−1)面)を研削機で研削した後、研磨剤を含んだラッピングマシンで研磨する。仕上げにアルカリ性水溶液を用いて、ポリッシングクロス上でCMP研磨(Chemical Mechanical Polishing)を行う。多段階の研磨工程を経ることで、ウェハーの総厚が約100μmとなり、ウェハーの下面は平坦な鏡面となる。
(Wafer polishing process)
Next, the wafer after the formation of the
(第1電極形成工程)
研磨後のウェハーをホルダから取り出した後、半導体ウェハープロセス装置にかける。研磨後のウェハーにおける、基板10の下面((000−1)面)上の所定の位置に通常のフォトリソグラフィ、スパッタリング、およびリフトオフを用いて、第1電極40を形成する。同時に、略凹四角形の外周の溝に対向する基板10の下面には幅約50μmの第1電極40のない領域(スクライブストリート)を設ける。
(First electrode forming step)
After the polished wafer is taken out of the holder, it is applied to a semiconductor wafer processing apparatus. The
(チップ化工程)
次に、金属リング(ダイシングフレーム、ダイシングリング、リングフレーム、リング)に粘着シート(ダイシングテープ)を貼り第1電極40形成後のウェハーを保持(ウェハーマウント)する。そして、レーザ加工によって、発光素子100のチップ外形を切り出す。レーザ加工は、具体的には、多光子吸収を用いたステルスダイシング、レーザアブレーション加工、レーザー誘起背面湿式加工法(Laser−Induced Backside Wet Etching ;LIBWE法)による深溝加工、レーザーウォータージェットなどによって行う。そして、レーザ光を対物レンズ光学系で集光して、ウェハーのスクライブストリートに沿ってGaN基板内部に焦点を合せて照射し、焦点領域で多光子吸収を起こさせ、照射前に比べて結晶強度が低い改質領域をGaN基板内部に形成するステルスダイシング法により、破線を4方向(例えば、[−1010]、[−2110]、[−12−10]、[01−10]など)に引き、続いて、焦点を基板下面から深い距離の位置に設定し走査した後、浅い距離の位置に焦点を変更し二度目の操作を行い、略凹四角形の外形にチップを切り出す(図7参照)。このときに、基板のへき開面が活性層に垂直であれば、発光素子100の側面として基板10のへき開面を利用できる。基板のへき開面が活性層22に斜めに交わるのであれば、へき開面が出にくい方向にチップ分割を行う。その後、エキスパンドを行って発光素子100を分離する。
(Chip forming process)
Next, an adhesive sheet (dicing tape) is attached to a metal ring (dicing frame, dicing ring, ring frame, ring) to hold the wafer after the
上記のような方法を用いることで、発光効率に優れた発光素子100を製造することができる。
By using the above method, the
各種蛍光管ランプの代替をはじめ、産業用のUV照射機で従来用いられてきた水銀ランプをLED光源に置き換える動きがあり、高出力高輝度で照度均斉度の高い光源が求められている。薄型光源にしやすく、液晶パネルのバックライト用光源に好適である。また、掲示板の照明やコープ照明のように、非対称な配光が好ましい照明用光源にも適する。 There is a movement to replace mercury lamps that have been used in industrial UV irradiators with LED light sources, including the replacement of various fluorescent tube lamps, and there is a need for light sources with high output, high brightness, and high illuminance uniformity. It is easy to make a thin light source, and is suitable for a light source for a backlight of a liquid crystal panel. Moreover, it is suitable also for the light source for illumination with which asymmetrical light distribution is preferable like the illumination of a bulletin board, and co-op illumination.
1000,2000 発光素子アレイ
100,200,300,400 発光素子
10 基板
20 半導体部
21 第1半導体層
22 活性層
23 第2半導体層
30 第2電極
31 透明電極
32 パッド電極
40 第1電極
1000, 2000 Light emitting
Claims (4)
前記発光素子の平面形状が凹多角形であり、
前記凹多角形の内角のうち、1以上の内角が鋭角であることを特徴とする発光素子。 A light emitting device having a semiconductor part,
The planar shape of the light emitting element is a concave polygon,
One or more internal angles among the internal angles of the concave polygon are acute angles.
前記凹四角形の内角が、1つの凹角と、3つの鋭角からなることを特徴とする、請求項1ないし2に記載の発光素子。 The planar shape of the light emitting element is a concave square,
3. The light emitting device according to claim 1, wherein an inner angle of the concave quadrangle includes one concave angle and three acute angles.
前記凹角を構成する辺と、前記凹角に隣接する凸角の頂点どうしを結ぶ直線と、によって囲まれる領域の内側に、他の発光素子の一部が配置されることを特徴とする発光素子アレイ。 A light-emitting element array in which a plurality of light-emitting elements according to any one of claims 1 to 3 are arranged,
A light-emitting element array, wherein a part of another light-emitting element is disposed inside a region surrounded by a side that forms the concave angle and a straight line that connects vertices of convex angles adjacent to the concave angle. .
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