JP6994663B2

JP6994663B2 - 発光素子

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Publication number: JP6994663B2
Application number: JP2019070455A
Authority: JP
Inventors: 俊北濱
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: CN111799359A; JP2020170763A; US11276801B2; US20200321492A1

Description

本発明は、発光素子に関する。

発光素子の光取り出し面に配置された金属電極の上部に接するように透光性導電膜を形成して半導体層の広い範囲に電流を拡散させる発光素子の構造がある。これらの金属電極や透光性導電膜は光の吸収により光取り出し効率を低下させる原因になり得る。そこで、特許文献１には、例えば、金属電極の直下領域において、透光性導電膜と半導体層との間に、透光性導電膜よりも屈折率が低いＳｉＯ_２などの絶縁膜を設ける構造や、金属電極の下方にＡｌなどの反射膜を設ける構造が提案されているが、さらに光取り出し効率を向上させることが望まれている。

特開２０１８－１１３４４２号公報

本発明は、光取り出し効率を向上できる発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、発光素子は、ｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられた発光層と、前記発光層上に設けられたｐ型半導体層とを有する半導体積層体と、前記ｐ型半導体層上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられ、パッド部と、前記パッド部から第１方向に連続した延伸部とを有するｐ側電極と、前記ｐ型半導体層上および前記絶縁膜上に設けられ、前記絶縁膜上に前記ｐ側電極の前記延伸部に沿って連続して設けられた開口部を有する透光性導電膜と、前記透光性導電膜の前記開口部において、前記絶縁膜と前記ｐ側電極との間に設けられ、前記発光層が発する光の波長に対する反射率が前記ｐ側電極よりも高い反射膜と、を備えている。前記透光性導電膜の前記開口部は、第１開口部と第２開口部とを有する。前記第１開口部の幅は、前記第１方向に直交する第２方向において、第２開口部の幅よりも小さい。前記ｐ側電極の前記延伸部の幅は、前記第２方向において、前記第２開口部の幅よりも小さく、前記第２開口部が配置された前記絶縁膜上の前記延伸部は前記透光性導電膜と接していない。前記第２方向において、前記透光性導電膜のうち前記第１開口部が配置された領域に隣接して設けられた前記透光性導電膜は、前記ｐ側電極の前記延伸部と電気的に接続されている。

本発明によれば、光取り出し効率を向上できる発光素子を提供することができる。

本発明の一実施形態の発光素子の模式上面図である。図１ＡのIB-IB線における模式断面図である。本発明の一実施形態の発光素子におけるｐ側電極の延伸部が配置された部分を拡大した模式上面図である。図２のIII-III線における模式断面図である。図２のIV-IV線における模式断面図である。本発明の一実施形態の発光素子における半導体積層体の模式上面図である。図５に示す構成に絶縁膜を追加した模式上面図である。図６に示す構成に透光性導電膜を追加した模式上面図である。図２に示す部分における透光性導電膜の開口部を示す模式上面図である。図８に示す構成に反射膜を追加した模式上面図である。本発明の他の実施形態の発光素子におけるｐ側電極の延伸部が配置された部分を拡大した模式上面図である。図１Ａに示す発光素子の他の電極パターンを示す模式上面図である。

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。

図１Ａは、本発明の一実施形態の発光素子の模式上面図である。図１Ｂは、図１ＡのIB-IB線における模式断面図である。

実施形態の発光素子は、例えば、ｎ型半導体層と、発光層（活性層）と、ｐ型半導体層が積層された半導体積層体のｐ型半導体層側の面を光取り出し面とするフェイスアップ型の発光素子である。図１Ａは、発光素子の光取り出し面の上面図である。

光取り出し面には、ｐ側電極１７とｎ側電極１８が配置されている。ｐ側電極１７は、パッド部１７ａと延伸部１７ｂとを有する。ｎ側電極１８は、パッド部１８ａと、延伸部１８ｂとを有する。パッド部１７ａおよびパッド部１８ａにはそれぞれワイヤがボンディングされる。そのワイヤを通じて、ｐ側電極１７およびｎ側電極１８は外部回路と電気的に接続される。

ｐ側電極１７において、例えば１つのパッド部１７ａから複数の延伸部１７ｂが第１方向に連続している。任意の延伸部１７ｂが延伸する方向が第１方向であり、第１方向は、図１Ａに示す上面視において、左右方向、上下方向、または斜め方向となる場合があり得る。ｎ側電極１８においても同様に、例えば１つのパッド部１８ａから複数の延伸部１８ｂが連続している。実施形態の発光素子は、図１Ａに示すように、ｐ側電極１７は１つのパッド部１７ａと３つの延伸部１７ｂを有している。また、ｎ側電極１８は、１つのパッド電極１８ａと２つの延伸部１８ｂを有している。１つの延伸部１７ｂは、ｎ側電極１８のパッド部１８ａに向かって伸びている。他の２つの延伸部１７ｂは、ｎ側電極１８の２つ延伸部１８ｂの外側をｎ側電極１８のパッド電極１８ａ側に向かって伸び、ｎ側電極１８を囲うように配置されている。ｐ側電極１７の延伸部１７ｂとｎ側電極１８の延伸部１８ｂとは互いに平行な部分を有する。

図２は、図１Ａに示す発光素子におけるｐ側電極１７の延伸部１７ｂが配置された部分を拡大した模式上面図である。図２において左右方向が、延伸部１７ｂが延伸する第１方向ｄ１である。
図３は、図２のIII-III線における模式断面図である。
図４は、図２のIV-IV線における模式断面図である。

図１Ｂ、図３、および図４に示すように、発光素子は半導体積層体１２を有する。半導体積層体１２は、例えば、III-Ｖ族の化合物半導体を含む。半導体積層体１２は、例えば、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＺｎＯなどを含む。

図１Ｂ、図３に示すように、半導体積層体１２は、ｎ型半導体層１２ｎと、ｐ型半導体層１２ｐと、ｎ型半導体層１２ｎとｐ型半導体層１２ｐとの間に設けられた発光層（活性層）１２ａとを有する。ｎ型半導体層１２ｎは基板１１上に設けられ、発光層１２ａはｎ型半導体層１２ｎ上に設けられ、ｐ型半導体層１２ｐは発光層１２ａ上に設けられている。

半導体積層体１２は、例えば、基板１１上にエピタキシャル成長される。基板１１の材料は、例えば、サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ダイヤモンドなどである。

図５は、半導体積層体１２の模式上面図である。

図１Ｂに示すように、半導体積層体１２において、ｐ型半導体層１２ｐの一部および発光層１２ａの一部は除去され、ｎ型半導体層１２ｎの一部がｐ型半導体層１２ｐおよび発光層１２ａから露出される。つまり、ｎ型半導体層１２ｎ上に、発光層１２ａ及びｐ型半導体層１２ｐが設けられていない部分がある。その露出したｎ型半導体層１２ｎの一部に、図１Ａに示すｎ側電極１８が設けられる。ｎ側電極１８は、ｎ型半導体層１２ｎの一部に接し、ｎ型半導体層１２ｎと電気的に接続される。発光層１２ａの発光ピーク波長は、例えば、４３０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下程度であり、青色光や緑色光を発する。

図３および図４に示すように、ｐ型半導体層１２ｐとｐ側電極１７との間には、絶縁膜１３が設けられている。

図６は、図５に示す構成に絶縁膜１３を追加した模式上面図である。

絶縁膜１３は、上面視において、図１Ａに示すｐ側電極１７が設けられた領域に形成される。ｐ側電極１７は、上面視において、絶縁膜１３が設けられた領域内に設けられている。図３および図４に示すように、ｐ側電極１７は反射膜１６を介して絶縁膜１３上に設けられている。ここで、ｐ側電極１７の延伸部１７ｂの延伸方向である第１方向に直交する方向を第２方向ｄ２とする。絶縁膜１３の第２方向ｄ２の幅は、ｐ側電極１７の延伸部１７ｂの第２方向ｄ２の幅よりも大きい。ここで、第２方向ｄ２の幅とは、各部材の第２方向ｄ２における一の端部から他の端部までの最短距離である。

ｐ型半導体層１２ｐの上面の略全面に透光性導電膜１４が設けられている。また、透光性導電膜１４は絶縁膜１３上にも設けられている。透光性導電膜１４は、絶縁膜１３上に図２に示すような開口部１５を有する。

図７は、図６に示す構成に透光性導電膜１４を追加した模式上面図である。
図８は、図２に示す部分における透光性導電膜１４の開口部１５を示す模式上面図である。

透光性導電膜１４の開口部１５は、ｐ側電極１７の延伸部１７ｂに沿って連続している。開口部１５には絶縁膜１３の一部が露出する。また、図７に示すように、透光性導電膜１４には、ｎ側電極１８が接するｎ型半導体層１２ｎの一部を露出させる第３開口部１５ｃも形成される。第３開口部１５ｃは、上面視において、ｎ型半導体層１２ｎのうち発光層１２ａ及びｐ型半導体層１２ｐが設けられていない部分と略同じ形状で形成される。

図８に示すように、開口部１５は、絶縁膜１３上に第１開口部１５ａと第２開口部１５ｂとを有する。第１開口部１５ａの第２方向ｄ２における幅Ｗ１は、第２開口部１５ｂの第２方向ｄ２における幅Ｗ２よりも小さい。例えば、第１開口部１５ａと第２開口部１５ｂとが、第１方向ｄ１に沿って交互に配置されている。

図３は、図２のIII-III線における模式断面図である。図３は、第１開口部１５ａが配置された領域の第２方向に沿った断面図である。
図４は、図２のIV-IV線における断面図である。図４は、第２開口部１５ｂが配置された領域の第２方向に沿った断面図である。

図３に示すように、第２方向において、第１開口部１５ａが配置された絶縁膜１３上に設けられた透光性導電膜１４とｐ側電極１７の延伸部１７ｂとが接している。透光性導電膜１４のうち第１開口部１５ａが配置された領域に第２方向（図３の左右方向）において隣接して設けられた透光性導電膜１４が、ｐ側電極１７の延伸部１７ｂと電気的に接続されている。ｐ側電極１７の延伸部１７ｂは、第２方向において、透光性導電膜１４のうち第１開口部１５ａが配置された領域の両側に隣接して設けられた透光性導電膜１４と電気的に接続されている。

透光性導電膜１４は、絶縁膜１３が設けられていない領域においてｐ型半導体層１２ｐの上面に接している。ｐ側電極１７は、透光性導電膜１４の上面の一部に設けられている。ｐ側電極１７は、透光性導電膜１４を通じて、ｐ型半導体層１２ｐと電気的に接続されている。透光性導電膜１４は、ｐ側電極１７を通じて外部から供給される電流を、ｐ型半導体層１２ｐの面方向に拡散させる電流拡散層として機能する。

図３、４に示すように、ｐ側電極１７の直下領域において、ｐ型半導体層１２ｐと透光性導電膜１４との間、およびｐ型半導体層１２ｐとｐ側電極１７との間に絶縁膜１３が設けられている。これにより、ｐ側電極１７の直下領域のｐ型半導体層１２ｐへの電流集中が抑制され、上記透光性導電膜１４による電流拡散作用により光取り出し面における輝度分布のばらつきを抑制できる。

透光性導電膜１４は、発光層１２ａが発する光の波長に対して透過性を有する。透光性導電膜１４は、例えば、導電性金属酸化膜である。このような導電性金属酸化膜として、例えば、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、およびＴｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む酸化物が挙げられる。例えば、透光性導電膜１４の材料は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）である。透光性導電膜１４の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

絶縁膜１３も、発光層１２ａが発する光の波長に対して透過性を有する。例えば、絶縁膜１３は、シリコン酸化膜である。絶縁膜１３の発光層１２ａが発する光の波長に対する屈折率は、透光性導電膜１４の発光層１２ａが発する光の波長に対する屈折率よりも低いことが好ましい。絶縁膜１３の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。

図４に示すように、第２方向において、第２開口部１５ｂが配置された絶縁膜１３上に設けられた透光性導電膜１４とｐ側電極１７の延伸部１７ｂとは接していない。

図９は、図８に示す構成に反射膜１６を追加した模式上面図である。

図９に示すように、透光性導電膜１４の開口部１５に露出する絶縁膜１３上に、反射膜１６が設けられる。第２開口部１５ｂに設けられた反射膜１６の第２方向ｄ２の幅Ｗ４は、第１開口部１５ａに設けられた反射膜１６の第２方向ｓ２の幅Ｗ３よりも大きい。反射膜１６の第２方向ｄ２の幅Ｗ４は、第２開口部１５ｂの第２方向ｄ２の幅Ｗ２と同じ、または小さい。反射膜１６の第２方向ｄ２の幅Ｗ３は、第２開口部１５ａの第２方向ｄ２の幅Ｗ１と同じ、または小さい。

図３および図４に示すように、反射膜１６は、透光性導電膜１４の第１開口部１５ａおよび、第２開口部１５ｂにおいて、絶縁膜１３上に設けられている。ｐ側電極１７は、反射膜１６の上面および側面を覆っている。また、ｐ側電極１７は、透光性導電膜１４の上面にも設けられている。

ｐ側電極１７の材料は、金属材料（合金も含む）であり、例えば、ＣｕおよびＡｕの少なくとも何れかを主成分に含む。ｐ側電極１７の厚さは、例えば、１μｍ以上３μｍ以下である。反射膜１６の発光層１２ａが発する光の波長に対する反射率は、ｐ側電極１７の発光層１２ａが発する光の波長に対する反射率よりも高い。反射膜１６は、例えば、Ａｌ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｔｉ、およびＮｉからなる群から選択された少なくとも１種の元素を含む。反射膜１６は、例えば、Ａｌ膜、またはＡｌ合金膜である。反射膜１６の厚さは、例えば、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

ｐ側電極１７は、発光層１２ａが発する光の波長に対して遮光性または吸収性の金属部材であるため、光取り出し面においてｐ側電極１７が配置された領域からは光が取り出されにくい。ｐ側電極１７の反射率を高めｐ側電極１７による光吸収を低減することが、結果として光の取り出し効率の向上につながる。

実施形態の発光素子によれば、ｐ側電極１７との接続部分は残しつつ、透光性導電膜１４の開口部１５を形成することで、絶縁膜１３上に設けられる透光性導電膜１４の面積を減少させることができる。このように、透光性導電膜１４の面積を減らすことで、透光性導電膜１４により吸収される吸収光の割合を低減することができる。

半導体積層体１２からｐ側電極１７に向かって伝播する光は、半導体積層体１２と絶縁膜１３との界面や、反射膜１６で反射して半導体積層体１２内に戻される。そして、半導体積層体１２内で反射されることにより、ｐ側電極１７が配置されていない領域に設けられた透光性導電膜１４を透過して半導体積層体１２の外部に取り出される。

図４に示すように、ｐ側電極１７の延伸部１７ｂと透光性導電膜１４とを接続させない領域においては、透光性導電膜１４に形成する第２開口部１５ｂの第２方向の幅を、図３に示す第１開口部１５ａの第２方向の幅よりも大きくしている。これにより、延伸部１７ｂの直下領域における透光性導電膜１４の面積を減らし、絶縁膜１３上に設けられている反射膜１６の面積（第２方向の幅）を第１開口部１５ａに設けられている反射膜１６の面積よりも大きくすることができる。その結果、透光性導電膜１４による光吸収を抑制しつつ、反射膜１６による反射領域を増加させ、光取り出し効率を向上させることができる。なお、延伸部１７ｂと透光性導電膜１４とが接続しない領域において、反射膜１６の一部が、絶縁膜１３上の透光性導電膜１４の上に位置するように反射膜１６の幅を広げて、反射膜１６による反射領域を増大させてもよい。

反射膜１６にＡｌを用い、透光性導電膜１４にＩＴＯを用いた場合、反射膜１６と透光性導電膜１４との接触抵抗は、ｐ側電極１７の材料（例えば、Ｃｕ、Ａｕ）とＩＴＯとの接触抵抗よりも高い。したがって、透光性導電膜１４にＩＴＯを用い、また反射膜１６にＡｌを用いた場合、図３に示すように、ｐ側電極１７の延伸部１７ｂと、第１開口部１５ａに隣接して設けられた透光性導電膜１４とを接続させる領域においては、反射膜１６の一部を透光性導電膜１４上に位置させないように配置する。このような配置により、ｐ側電極１７と透光性導電膜１４との接触面積を、反射膜１６の一部が透光性導電膜１４上に位置する場合よりも大きくすることが好ましい。

第１開口部１５ａが形成された領域、および第２開口部１５ｂが形成された領域のいずれにおいても、反射膜１６の上面および側面は、反射膜１６よりも耐食性に優れた例えばＣｕやＡｕを含むｐ側電極１７で覆われ、保護されている。

ｐ側電極１７は、上面視において、絶縁膜１３が設けられている領域内に設けられている。すなわち、ｐ側電極１７とｐ型半導体層１２ｐとの間の全領域に絶縁膜１３が存在する。このため、半導体積層体１２からｐ側電極１７側に伝播する光を、ｐ型半導体層１２ｐと絶縁膜１３との屈折率差によりｐ型半導体層１２ｐと絶縁膜１３との界面で全反射させることができる。その結果、ｐ側電極１７による光吸収を抑制して、光取り出し効率を向上させることができる。

図２に示す例では、絶縁膜１３上に、第１開口部１５ａと第２開口部１５ｂとが、第１方向ｄ１に沿って交互に配置されている。ｐ側電極１７と透光性導電膜１４とは、第２方向ｄ２において第１開口部１５ａが配置された領域で接続し、その接続部が第１方向ｄ１に沿って所定の間隔をあけて断続的に存在する。所定の間隔とは、例えば、第１方向ｄ１の第２開口部１５ｂの幅である。第２開口部１５ｂが配置された領域であり、ｐ側電極１７と透光性導電膜１４とが接続しない部分では、第２方向ｄ２に電流が拡散されず、電流の流れが第１方向ｄ１に制限される。これにより、延伸部１７ｂに沿って、パッド部１７ａから遠い領域にまで電流が到達しやすく、電流の拡散性が向上する。パッド部１７ａに近い領域における電流集中を抑制できる。

開口部１５の面積が大きいほど、その分、透光性導電膜１４の面積が減り、高い反射率の領域の面積が増える。そのため、絶縁膜１３上における開口部１５の面積は、絶縁膜１３上における透光性導電膜１４の面積よりも大きいことが好ましい。

絶縁膜１３上における反射領域を増加させる観点から、開口部１５に設けられる反射膜１６の面積は大きいことが好ましい。開口部１５の面積に対する反射膜１６の面積の割合を、例えば、７０％以上とすることが好ましく、８０％以上とすることがより好ましい。開口部１５の面積に対する反射膜１６の面積の割合を、７０％以上とすることで反射膜１６による反射領域を増加させ、光取り出し効率を向上させることができる。また、開口部１５における反射膜１６の面積を大きくするために、開口部１５における第２開口部１５ｂの総面積を第１開口部１５ａの総面積よりも大きくすることができる。

図１０は、図２に示す要素の他の配置パターンを示す模式上面図である。絶縁膜１３上に、第１開口部１５ａと第２開口部１５ｂとが、第１方向ｄ１に沿って交互に配置されており、ｐ側電極１７と透光性導電膜１４とが接続する接続部が第１方向ｄ１に沿って異なる間隔をあけて断続的に存在している。この間隔は、例えば、ｐ側電極１７のパッド部１７ａからｐ側電極１７の延伸部１７ｂの先端側に向かうに従い小さくすることができる。これにより、ｐ側電極１７のパッド部１７ａ側に電流が集中することを抑制し、ｐ側電極１７の延伸部１７ｂの先端側に電流をより拡散しやすくできる。

図１１は、図１Ａに示す発光素子の他の電極パターンを示す模式上面図である。図１１に示す他の電極パターンは、ｐ側電極１７の延伸部１７ｂが湾曲した形状で設けられ、直線状に形成された部分を有していない。このようなパッド部１７ａから湾曲して設けられた延伸部１７ｂに対して上述した実施形態を適用することにより、上述した実施形態と同様に発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。ここで、図１１の電極パターンにおいて、第１方向に延伸するｐ側電極１７の延伸部１７ｂは、湾曲した部分に相当する。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

１１…基板、１２…半導体積層体、１２ｎ…ｎ型半導体層、１２ｐ…ｐ型半導体層、１２ａ…発光層、１３…絶縁膜、１４…透光性導電膜、１５…開口部、１５ａ…第１開口部、１５ｂ…第２開口部、１５ｃ…第３開口部、１６…反射膜、１７…ｐ側電極、１７ａ…ｐ側電極のパッド部、１７ｂ…ｐ側電極の延伸部、１８…ｎ側電極、１８ａ…ｎ側電極のパッド部、１８ｂ…ｎ側電極の延伸部

Claims

ｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられた発光層と、前記発光層上に設けられたｐ型半導体層とを有する半導体積層体と、
前記ｐ型半導体層上に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ、パッド部と、前記パッド部から第１方向に連続した延伸部とを有するｐ側電極と、
前記ｐ型半導体層上および前記絶縁膜上に設けられ、前記絶縁膜上に前記ｐ側電極の前記延伸部に沿って連続して設けられた開口部を有する透光性導電膜と、
前記透光性導電膜の前記開口部において、前記絶縁膜と前記ｐ側電極との間に設けられ、前記発光層が発する光の波長に対する反射率が前記ｐ側電極よりも高い反射膜と、
を備え、
前記透光性導電膜の前記開口部は、第１開口部と第２開口部とを有し、
前記第１開口部の幅は、前記第１方向に直交する第２方向において、第２開口部の幅よりも小さく、
前記ｐ側電極の前記延伸部の幅は、前記第２方向において、前記第２開口部の幅よりも小さく、前記第２開口部が配置された前記絶縁膜上の前記延伸部は前記透光性導電膜と接しておらず、
前記第２方向において、前記透光性導電膜のうち前記第１開口部が配置された領域に隣接して設けられた前記透光性導電膜は、前記ｐ側電極の前記延伸部と電気的に接続されている発光素子。
前記第２方向において、前記第２開口部に設けられた前記反射膜の幅は、前記第１開口部に設けられた前記反射膜の幅よりも大きい請求項１記載の発光素子。
前記ｐ側電極は、上面視において、前記絶縁膜が設けられた領域内に設けられている請求項１または２に記載の発光素子。
前記ｐ側電極の前記延伸部は、前記第２方向において、前記透光性導電膜のうち前記第１開口部が配置された領域の両側に隣接して設けられた前記透光性導電膜と電気的に接続されている請求項１～３のいずれか１つに記載の発光素子。
前記ｐ側電極は、前記反射膜の上面および側面を覆っている請求項１～４のいずれか１つに記載の発光素子。
前記第１開口部と前記第２開口部とが、前記第１方向に沿って交互に配置されている請求項１～５のいずれか１つに記載の発光素子。