JP6149878B2

JP6149878B2 - 発光素子

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Publication number: JP6149878B2
Application number: JP2015026130A
Authority: JP
Inventors: 真一大黒; 俊北濱; 恵滋榎村; 晃啓中村
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2035-02-13
Also published as: US9761761B2; US20160240757A1; JP2016149476A

Description

本発明は、発光素子に関する。

フェイスアップ型の実装に適した発光素子においては、ｐ型半導体層上の略全面に、ＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）などの透光性導電膜を形成し、ｐ側パッド電極からの電流をｐ型半導体層に拡散する構成が取られる。また、透光性導電膜上の一部に設けられた絶縁膜上にｐ側パッド電極を形成し、絶縁膜に部分的に設けられた開口部を介してｐ側パッド電極と透光性導電膜とを電気的に接続させる構成とすることで光取り出し効率を向上させている発光素子が提案されている。

特開２０１０−１９９３９５号公報

近年は発光素子の高出力化に伴い、発光素子の光取り出し効率をさらに向上させることが要求されている。そこで、本発明の実施形態に係る発光素子は、電極による半導体積層体からの光の吸収を低減し、光取り出し効率がさらに向上された発光素子を提供することを課題とする。

上記した課題は次の手段により解決される。すなわち、基板と、前記基板上に設けられた半導体積層体と、前記半導体積層体上に設けられ複数の貫通孔を有する透光性導電膜と、前記半導体積層体上の前記貫通孔に設けられた絶縁膜と、前記透光性導電膜上及び前記絶縁膜上に設けられるパッド電極と、を備えた発光素子である。

本発明の実施形態に係る発光素子によれば、電極による半導体積層体からの光の吸収を低減し、光取り出し効率が向上された発光素子を提供することができる。

実施形態に係る発光素子の模式図であり、（ａ）は発光素子の平面図を示し、（ｂ）は絶縁膜の配置領域を示す。実施形態１に係る発光素子１００の層構造を示す模式図であり、図１のＡ−Ａ線における断面図である。実施形態１に係る発光素子１００Ａの層構造を示す模式図であり、図１のＡ−Ａ線における断面図である。実施形態２に係る発光素子２００の層構造を示す模式図であり、図１のＡ−Ａ線における断面図である。実施形態３に係る発光素子３００の層構造を示す模式図であり、図１のＡ−Ａ線における断面図である。実施形態３に係る発光素子３００Ａの層構造を示す模式図であり、図１のＡ−Ａ線における断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る発光素子について説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、本発明の実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張、あるいは、部材の一部の図示が省略されている場合がある。また、平面図とその断面図において、各部材のスケールや間隔が一致しない場合もある。また、以下の説明では、同一の名称及び符号については原則として同一又は同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略することとする。

また、本発明の各実施形態に係る発光素子において、「上」、「下」、「左」及び「右」などは、状況に応じて入れ替わるものである。本明細書において、「上」、「下」などは、説明のために参照する図面において構成要素間の相対的な位置を示すものであって、特に断らない限り絶対的な位置を示すことを意図したものではない。なお、以下の説明で使用する図２〜６において、図１のＡ―Ａ線における断面図を本発明に係る各実施形態を説明しやすくするために便宜上誇張して図示している。
［実施形態１に係る発光素子１００］

（発光素子１００）
本実施形態に係る発光素子１００は、図１、２に示すように、平面視で略正方形状に形成され、基板１１と、基板１１上に設けられた半導体積層体１２と、半導体積層体１２上に設けられ複数の貫通孔１５ａを有する透光性導電膜１５と、貫通孔１５ａに設けられた絶縁膜１６と、透光性導電膜１５上及び絶縁膜１６上に設けられたパッド電極と、発光素子１００の上面を被覆する保護膜１７とを備えて構成されている。また、本実施形態に係る発光素子１００は、半導体積層体１２の一方の面側にパッド電極としてｐ側パッド電極１３と、ｎ側パッド電極１４とを備えており、フェイスアップ型の実装に適した構造を有している。つまり、パッド電極が設けられた半導体積層体１２の一方の面側が主に光が取り出される面となる。以下、順に説明する。

（基板１１）
基板１１は、半導体積層体１２をエピタキシャル成長させるための基板である。基板１１としては、例えば、半導体積層体をＧａＮ（窒化ガリウム）などの窒化物半導体を用いて形成する場合には、Ｃ面、Ｒ面、Ａ面の何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、また炭化ケイ素（ＳｉＣ）、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、ガリウム酸ネオジム等の酸化物基板が挙げられる。

（半導体積層体１２）
半導体積層体１２は、基板１１上に設けられ、基板１１の上面側からｎ型半導体層１２ｎ、活性層１２ａ、ｐ型半導体層１２ｐがこの順に積層されてなり、ｐ型半導体層１２ｐと電気的に接続されたｐ側パッド電極１３と、ｎ型半導体層１２ｎと電気的に接続されたｎ側パッド電極１４との間に電流を通電することにより発光するようになっている。半導体積層体１２を構成するｐ型半導体層１２ｐ、活性層１２ａ及びｎ型半導体層１２ｎは、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）等が好適に用いられる。例えば、発光素子が発光する光の一部を、蛍光体層を設けて、異なる波長の光に変換する場合には、発光波長の短い青色や紫色に発光する半導体積層体が好適である。また、これらの半導体層は、それぞれ単層構造でもよいが、組成及び膜厚等の異なる層の積層構造、超格子構造等であってもよい。特に、活性層１２ａは、量子効果が生ずる薄膜を積層した単一量子井戸又は多重量子井戸構造であることが好ましい。

図２に示すように、半導体積層体１２には、ｐ型半導体層１２ｐ及び活性層１２ａが部分的に存在しない領域、すなわちｐ型半導体層１２ｐの表面から凹んでｎ型半導体層１２ｎが露出した領域が形成されている。また、後述するｎ側パッド電極１４は、この露出したｎ型半導体層１２ｎと電気的に接続されている。

また、半導体積層体１２の外周に沿って、ｐ型半導体層１２ｐ及び活性層１２ａが存在せず、ｎ型半導体層１２ｎが露出した領域を有する。この露出した領域は、ウエハ状態の発光素子を個々に区画する境界線に沿った領域である境界領域（ダイシングストリート）に設けられている。

なお、ｎ型半導体層１２ｎが露出した領域は、完成した発光素子においては、保護膜１７又はｎ側パッド電極１４によって被覆されている。

（透光性導電膜１５）
透光性導電膜１５は、ｐ型半導体層１２ｐの上面の略全面を覆うように設けられ、ｐ側パッド電極１３を介して外部から供給される電流を、ｐ型半導体層１２ｐの全面に拡散させるための電流拡散層としての機能を有するものである。また、半導体積層体１２からの光は、透光性導電膜１５を介して外部に取り出されるため、透光性導電膜１５は、半導体積層体１２が発する光の波長に対して透過率が高いことが好ましい。

透光性導電膜１５は、図１、２に示すように、ｐ側半導体層１２ｐが配置された領域上であって、ｐ側パッド電極の外部接続部１３ａが配置された領域の直下領域の略全体と、延伸部１３ｂが配置された領域の直下領域及びその近傍領域とに、貫通孔１５ａが設けられている。また、延伸部１３ｂの直下領域及びその近傍領域において、ｐ側パッド電極の延伸部１３ｂに沿って複数の貫通孔１５ａが断続的に設けられ、その貫通孔１５ａに絶縁膜１６が設けられている。

透光性導電膜１５は、導電性金属酸化物から形成される。導電性金属酸化物としては、ＩＴＯ（ＳｎドープＩｎ_２Ｏ_３）、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３などを用いることが好ましい。なかでも、可視光において高い透光性を有し、導電率の高い材料であることから、ｐ型半導体層１２ｐの上面の略全面を覆うのに好適な材料であるＩＴＯを用いることが好ましい。

ここで、ｐ側パッド電極１３の直下領域において、透光性導電膜１５には貫通孔１５ａが設けられ、その貫通孔１５ａには絶縁膜１６が設けられているため、ｐ側パッド電極１３から供給される電流は、透光性導電膜１５を介してｐ型半導体層１２ｐに流れる。そのため、例えば、ｐ側パッド電極１３の直下領域において、透光性導電膜１５と絶縁膜１６を交互に配置し、ｐ側パッド電極１３と透光性導電膜１５との接触面積を確保することで、Ｖｆを悪化させないようにすることが好ましい。

（絶縁膜１６）
絶縁膜１６は、図１（ｂ）にハッチングを施して示すように、ｐ側パッド電極１３が配置された領域の直下領域及びその近傍領域に設けられている。また、図１，２に示すように、絶縁膜１６は、ｐ型半導体層１２ｐ上であって、断続的に設けられた透光性導電膜の貫通孔１５ａに設けられている。このとき、絶縁膜１６は、ｐ型半導体層１２ｐの上面と接触しており、半導体積層体１２からの光は絶縁膜１６とｐ型半導体層１２ｐとの界面で反射される。

絶縁膜１６がｐ側パッド電極１３の直下領域に設けられた透光性導電膜の貫通孔１５ａに設けられることにより、ｐ側パッド電極１３の直下領域のｐ型半導体層１２ｐに流れる電流を抑制し、ｐ側パッド電極の直下の領域での発光を抑制させることができる。その結果、ｐ側パッド電極１３に向かって伝播する光量を低減させることでｐ側パッド電極１３によって吸収される光量を低減できるので、発光素子全体としての発光量を増加させることができる。

絶縁膜１６は、透光性を有する材料で構成され、透光性導電膜１５よりも屈折率が低いことが好ましい。絶縁膜１６をｐ型半導体層１２ｐに接して設けることにより、ｐ型半導体層１２ｐと絶縁膜１６との界面で、半導体積層体１２内を上方に伝播する光をスネルの法則に基づいて全反射させることができる。従って、絶縁膜１６をｐ側パッド電極１３の直下領域及びその近傍領域に設け、ｐ側パッド電極１３に向かう光を手前で効率的に反射させることにより、ｐ側パッド電極１３による光吸収を低減させることができる。

ｐ側パッド電極１３は、透光性導電膜１５と絶縁膜１６との間に介在してもよいが、図２に示すように、絶縁膜１６が、透光性導電膜の貫通孔１５ａの内面と接触していることが好ましい。このようにすれば、透光性導電膜の貫通孔１５ａ内において、ｐ側パッド電極１３が、透光性導電膜１５と絶縁膜１６との間に介在せず、半導体積層体１２からの光がｐ側パッド電極１３に直接入射しない構成となる。その結果、ｐ側パッド電極１３による光吸収が低減され、発光素子１００の光取り出し効率をさらに向上させることができる。

絶縁膜１６は、図２に示すように、少なくとも一部が透光性導電膜１５上を被覆していることが好ましい。具体的には、透光性導電膜の貫通孔１５ａの開口の外周縁の少なくとも一部を被覆していることが好ましい。このようにすれば、半導体積層体１２からの光を反射する領域を増加し、ｐ側パッド電極１３による光吸収をさらに低減させることができるため、発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。絶縁膜１６が透光性導電膜１５上を被覆する領域に特に制限はないが、半導体積層体１２からの光を反射する領域を増加させるという目的として、透光性導電膜の貫通孔１５ａの開口の外周縁上すべてを被覆していることが好ましい。

絶縁膜１６としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの酸化物、ＳｉＮなどの窒化物、ＭｇＦ_２などのフッ化物を好適に用いることができる。これらの中で、屈折率が低いＳｉＯ_２をより好適に用いることができる。

また、絶縁膜１６としては、屈折率の異なる２種以上の透光性誘電体を用いて積層し、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）膜を構成するようにしてもよい。各層を構成する透光性誘電体としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５などの酸化物を好適に用いることができる。このようにすれば、絶縁膜１６を半導体積層１２からの光に対してより好適な反射率を有する膜とすることができ、発光素子の光取り出し効率をさらに向上させることができる。

（ｐ側パッド電極１３）
ｐ側パッド電極１３は、発光素子１００に外部からの電流を供給するための電極であり、透光性導電膜１５の上面の一部に設けられている。ｐ側パッド電極１３は、透光性導電膜１５を介してｐ型半導体層１２と電気的に接続されている。ｐ側パッド電極１３は、図１に示すように、平面視で略円形状に形成され外部と接続するための領域である外部接続部１３ａと、外部接続部１３ａから延伸し、平面視でｎ側パッド電極１４を囲むように配置された延伸部１３ｂとから構成されている。

図１、２に示すように、平面視において、絶縁膜１６はｐ側パッド電極の外部接続部１３ａが形成されている領域よりも大きく設けられていることが好ましい。このようにすれば、ｐ側パッド電極の外部接続部１３ａよりも外側に電流が拡散されるため、外部接続部１３ａの直下の半導体積層体１２による光の発生を抑制できる。その結果、ｐ側パッド電極の外部接続部１３ａに向かう光の発生を抑制し、光取り出し効率を向上させることができる。さらに、ｐ側パッド電極の外部接続部１３ａに向かう光を絶縁膜１６により効率良く反射し、ｐ側パッド電極の外部接続部１３ａによる光吸収を低減することができる。

また、図１に示すように、平面視において、絶縁膜１６は、ｐ側パッド電極の延伸部１３ｂの幅よりも広く設けられていることが好ましい。これにより、上記した絶縁膜１６をｐ側パッド電極の外部接続部１３ａが形成されている領域よりも大きく設けることによる効果と同様の効果を得ることができる。ここで、ｐ側パッド電極の延伸部１３ｂの幅とは、延伸部１３ｂの延伸方向に直交する方向における距離である。

ｐ側パッド電極の延伸部１３ｂは、図１、２に示すように、ｐ側パッド電極の延伸部１３ｂの直下領域において、交互に配置された透光性導電膜１５及び絶縁膜１６の上面に連続して設けられている。なお、図２において、ｐ側パッド電極１３を同じ膜厚で示しているが、透光性導電膜１５及び絶縁膜１６の上面の状態によって膜厚が変化しても構わない。

ｐ側パッド電極の外部接続部１３ａは、ワイヤボンディングなどによる外部との接続に適するように、例えば、Ｃｕ、Ａｕ又はこれらの何れかの金属を主成分とする合金を用いて形成することができる。なお、ｐ側パッド電極１３は、外部接続部１３ａ及び延伸部１３ｂが、ともに同じ材料で構成されている。

（ｎ側パッド電極１４）
ｎ側パッド電極１４は、図１、２に示すように、半導体積層体１２のｎ型半導体層１２ｎが露出した領域に設けられ、発光素子１００に外部からの電流を供給するためのパッド電極である。そのため、ｎ側パッド電極の外部接続部１４ａは、ワイヤボンディングなどによる外部との接続に適するように、例えば、Ｃｕ、Ａｕ又はこれらの何れかの金属を主成分とする合金を用いることができる。また、ｎ側パッド電極１４とｎ型半導体層１２ｎとは、金属からなる光反射膜を介して電気的に接続されていてもよい。光反射膜としては、例えば、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金から構成されていることが好ましい。なお、ｎ側パッド電極１４は、外部接続部１４ａ及び延伸部１４ｂが、ともに同じ材料で構成されている。

ｎ側パッド電極１４は、図１に示すように、平面視で円弧状に設けられている。ｎ側パッド電極１４は、円弧状の中央部近傍に円形状に形成された外部接続部１４ａと、外部接続部１４ａから円弧状に延伸する延伸部１４ｂとから構成されている。外部接続部１４ａは、外部と接続するための領域であり、延伸部１４ｂは、外部接続部１４ａを介して供給される電流をｎ型半導体層１２ｎに効率的に拡散させるための機能を有する。

（保護膜１７）
保護膜１７は、透光性及び絶縁性を有し、図２に示すように、基板１１の側面及び下面を除き、発光素子１００の上面及び側面の略全体を被覆する膜である。また、図２に示すように、保護膜１７は、ｐ側パッド電極１３と、ｎ側パッド電極１４とが設けられる部分に開口部を有している。保護膜１７としては、例えば、ＳｉＯ_２を好適に用いることができる。

（反射膜１８）
図３に実施形態１の変形例である発光素子１００Ａを示す。図３に示すように、発光素子１００Ａは、実施形態１に係る発光素子１００の構成にさらに反射膜１８を設けたものである。反射膜１８は、絶縁膜１６の上面と透光性導電膜１５上を被覆して設けられた絶縁膜１６の側面とを被覆して設けられ、その反射膜１８上にｐ側パッド電極１３が設けられている。このとき、反射膜１８は、透光性導電膜１５の上面と接して設けることが好ましい。これにより、透光性導電膜１５上において、半導体積層体１２からの光を反射する領域が増加し、発光素子の光取り出し効率をさらに向上させることができる。また、絶縁膜１６で半導体積層体１２からの光を反射できなかった場合であっても、絶縁膜１６を被覆して設けられた反射膜１８により反射し、ｐ側パッド電極１３による光吸収を低減することができる。反射膜１８は、半導体積層体１２からの光を反射する機能を有し、例えば、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金から構成されていることが好ましい。
［実施形態２に係る発光素子２００］

（発光素子２００）
図４に示すように、実施形態２に係る発光素子２００は、透光性導電膜１５の膜厚と絶縁膜１６の膜厚が略同一の厚さに設けられている点で、絶縁膜１６が透光性導電膜１５の上面の一部を被覆している実施形態１に係る発光素子１００と相違する。実施形態２の発光素子２００によっても、実施形態１の発光素子１００と同様に、光取り出し効率に優れた発光素子を提供することができる。

図４に示すように、発光素子２００は、透光性導電膜１５の膜厚と絶縁膜１６の膜厚が略同一の厚さで設けられている。このようにすれば、ｐ側パッド電極１３と透光性導電膜１５との接触面積を容易に確保できるため、順方向電圧Ｖｆの悪化を効率よく抑制することができる。また、ｐ側パッド電極１３が、透光性導電膜１５の上面と絶縁膜１６の上面とが略同一面である面上に設けられることで、ｐ側パッド電極１３を均一な膜厚で設けることができる。ここで、ｐ側パッド電極１３が段差を有する面上に形成されると、段差がある部分で局所的に薄く形成される場合があり、薄く形成されたパッド電極は断線などが発生する虞があるため発光素子の信頼性を低下させてしまう。従って、本実施形態に係る発光素子２００によれば、ｐ側パッド電極１３が略均一な厚さで形成できるので、断線などの発生が抑制され、信頼性に優れた発光素子を提供することができる。
［実施形態３に係る発光素子３００］

（発光素子３００）
図５に示すように、実施形態３に係る発光素子３００は、透光性導電膜１５が絶縁膜１６の上面の少なくとも一部を被覆して設けられている点で、絶縁膜１６が透光性導電膜１５の上面の一部を被覆している実施形態１に係る発光素子１００と相違する。実施形態３の発光素子３００によっても、実施形態１の発光素子１００と同様に、光取り出し効率に優れた発光素子を提供することができる。

図５に示すように、発光素子３００は、透光性導電膜１５の少なくとも一部が絶縁膜１６上を被覆して設けられている。具体的には、透光性導電膜１５が、絶縁膜１６の外周縁上の少なくとも一部を被覆している。これにより、実施形態１の絶縁膜１６が透光性導電膜の上面の少なくとも一部を被覆する形態に比較して、ｐ側パッド電極１３と透光性導電膜１５との接触面積が増加するため、順方向電圧Ｖｆを低減させることができる。このとき、ｐ側パッド電極１３は、透光性導電膜１５の上面及び側面に接触して設けられることが好ましい。透光性導電膜１５が絶縁膜１６上を被覆する領域に特に制限はないが、ｐ側パッド電極１３と透光性導電膜１５との接触面積を増加させるという目的として、絶縁膜１６の外周縁上すべてを被覆していることが好ましい。

また、図６に実施形態３の変形例である発光素子３００Ａを示す。図６に示すように発光素子３００Ａは、実施形態１に係る発光素子３００の構成にさらに反射膜１８を設けたものである。反射膜１８は、絶縁膜１６の上面と、透光性導電膜１５の上面と、絶縁膜１６上を被覆して設けられた透光性導電膜１５の側面と、を被覆して設けられ、その反射膜１８上にｐ側パッド電極１３が設けられている。このようにすれば、半導体積層体１２からの光を絶縁膜１６で反射できなかった場合であっても、反射膜１８により反射することができるため、ｐ側パッド電極１３による光吸収を低減することができる。さらに、透光性を有する透光性導電膜１５の上面を被覆することで、半導体積層体１２からの光が透光性導電膜１５を伝播しｐ側パッド電極１３に向かったとしても、透光性導電膜１５の上面及び側面を被覆して設けられた反射膜１８により反射することができる。その結果、ｐ側パッド電極１３による光吸収を低減し光取り出し効率を向上させることができる。また、反射膜１８は、半導体積層体１２からの光を反射させるものであり、例えば、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金から構成されていることが好ましい。

以上、実施形態について説明したが、これらの説明は、一例であり、特許請求の範囲に記載された構成は、これらの説明によって何ら限定されるものではない。

１１基板
１２半導体積層体
１２ｐｐ型半導体層
１２ａ活性層
１２ｎｎ型半導体層
１３ｐ側パッド電極
１３ａ外部接続部
１３ｂ延伸部
１４ｎ側パッド電極
１４ａ外部接続部
１４ｂ延伸部
１５透光性導電膜
１５ａ貫通孔
１６絶縁膜
１７保護膜
１８反射膜
１００、１００Ａ、２００，３００、３００Ａ発光素子

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた半導体積層体と、
前記半導体積層体上に設けられ複数の貫通孔を有する透光性導電膜と、
前記半導体積層体上の前記貫通孔にそれぞれ設けられた複数の絶縁膜と、
前記透光性導電膜上及び前記絶縁膜上に設けられるパッド電極と、を備え、
前記パッド電極は、外部と電気的に接続するための外部接続部と、前記外部接続部から延伸して設けられた延伸部と、を有し、
前記複数の貫通孔は、前記外部接続部の直下領域に設けられた貫通孔と、前記延伸部の直下領域に前記延伸部の延伸方向に沿って設けられた２以上の貫通孔と、を含み、
前記複数の絶縁膜それぞれの一部は、前記透光性導電膜上を被覆している発光素子。
前記絶縁膜は、前記貫通孔の内面に接している請求項１に記載の発光素子。
平面視において、前記絶縁膜は前記外部接続部よりも大きく形成されている請求項１又は２に記載の発光素子。
前記絶縁膜は、ＤＢＲ膜である請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発光素子。
前記絶縁膜上に反射膜が設けられている請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の発光素子。