JP6288912B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、ディスプレイなどに利用可能な発光素子に関する。

特許文献１に記載の発光素子は、基板の射光面とは反対側の面から順に積層されたｎ型層と、活性層と、ｐ型層と、を備え、側面が傾斜しており、傾斜面に反射膜が形成されている。そして射光面には、全反射を防止し光取り出し効率を向上させるための凹凸形状が形成されている（例えば、図６参照）。

特開２００８−２０５２２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発光素子では、配光特性を制御することが難しいという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、配光特性を制御可能な発光素子を提供することを目的とする。

本発明に係る発光素子は、上面、側面及び下面を有する半導体構造と、半導体構造の下面側に設けられた正電極及び負電極と、半導体構造の側面に設けられた反射膜と、を備える。特に、半導体構造の上面側から光を取り出す発光素子であって、半導体構造は、その上面において、内側に設けられた粗面領域と、外側に設けられた平坦領域と、を有する。

本発明によれば、配光特性を制御可能な発光素子とすることができる。

図１は、一実施形態に係る発光素子を説明するための概略断面図である。 図２は、図１の発光素子を光取出し面側からみた概略平面図である。 図３は、図１の発光素子を正電極及び負電極側からみた概略平面図である。 図４は、実施例及び比較例の０°方向および９０°方向における相対発光強度の測定結果を示すグラフである。

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。

図１に、本実施形態に係る発光素子発光素子１００の概略断面図を示す（図２のＸ−Ｘにおける概略断面図である）。発光素子１００は、上面、側面及び下面を有する半導体構造１０と、半導体構造１０の下面側に設けられた正電極３０及び負電極４０と、半導体構造１０の側面に設けられた反射膜２０と、を備える。光は、半導体構造１０の上面側から取り出される。さらに、半導体構造１０は、その上面において、内側に設けられた粗面領域１０ｂと、外側に設けられた平坦領域１０ａと、を有する。

これにより、斜め方向における発光強度の大きい発光素子１００を得ることができる。以下この点について説明する。

まず、中央部に設けられた粗面領域１０ｂにおいては、光が散乱して取り出される。これにより、発光素子１００の光出力を向上させることができる。一方、その周囲に設けられた平坦領域１０ａでは、上面に対して浅い角度で入射する光（入射角が大きい光）の取出しは全反射により抑制され、上面に対して深い角度で入射する光（入射角が小さい光）が優先的に取り出される。この結果、発光素子全体として、斜め方向から観察される光の強度が大きくなるものと考えられる。

ここで、本明細書では、説明の便宜上、図１に示す断面図の下側を「下」と表現し、上側を「上」と表現している。しかし、これらの位置関係は相対的なものであればよく、例えば各図の上下を逆にしても本明細書の範囲内であることは言うまでもない。

以下、発光素子１００における主な構成要素について説明する。なお、本実施形態における発光素子１００としてはＬＥＤ（発光ダイオード）を用いる。
（半導体構造１０）
半導体構造１０は、例えば、下面側から順に、第１導電型（ｐ型）層、活性層、第２導電型（ｎ型）層を有する構造とすることができる。半導体構造１０は、例えば、複数のＧａＮ系半導体（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなど）を積層したものを用いることができる。なお、説明の便宜上、図２においては半導体構造１０を長方形としているが、正方形であってもよいし、また、角が丸みを帯びた形状であってもよい。

半導体構造１０はその上面において、内側に設けられた粗面領域１０ｂと、外側に設けられた平坦領域１０ａと、を有する。つまり、図２に示すように素子を上面視した際に、平坦領域１０ａは素子の外縁（点線の外側）に形成され、粗面領域１０ｂは平坦領域の内側（点線の内側）に設けられている。このように形成することで、斜め方向における発光強度を大きくすることができる。また本実施形態では、上面視において粗面領域１０ｂの外縁（点線）は矩形状に図示されているが、これに限定されず、例えば角が丸みを帯びた形状等とすることもできる。

半導体構造１０の上面において、平坦領域１０ａの面積は全体の面積（平坦領域１０ａと粗面領域１０ｂとの合計の面積）に対して好ましくは１０％〜７５％、より好ましくは１０％〜４５％、さらに好ましくは１０％〜２０％とすることができる。上面において平坦領域１０ａが占める割合を一定以上とすることで配光特性を制御する効果を十分に確保できる一方、上面において平面領域が占める割合を一定以下とし粗面領域１０ｂが占める割合を一定以上とすることにより発光素子１００全体としての光出力を維持することができるためである。なお図２に示すように、本実施形態において平坦領域１０ａは粗面領域１０ｂの周囲に略均一の幅で形成されている。

また、半導体構造１０の上面の面積は、好ましくは１００μ^２以上１００００μｍ^２以下、より好ましくは１５０μｍ^２以上５０００μｍ^２以下、さらに好ましくは３００μｍ^２以上１０００μｍ^２以下とすることができる。

粗面領域１０ｂは複数の凸部が形成されてなる。なお、本明細書において凸部とは、先端が非平坦な形状に形成されているものも含む。ここでいう非平坦な形状とは、先端が曲面で形成されたもの、先端が尖ったもの、先端に凹凸を有するものを含む。かかる構成によれば光の乱反射により、外部への取出し効率を向上させることができる。

また、凸部の基端は隣り合う凸部の基端と隣接するように設けることができる。つまり、凸部は、隣の凸部との間に平坦な面を有さないように形成することができる。このように凸部を高密度に設けることにより、光取り出し効率を高めることができる。

粗面領域１０ｂは、ドライエッチング又はウェットエッチングにより形成することができるが、量産性の観点からウェットエッチングにより形成することが好ましい。ＧａＮ系半導体の場合、ウェットエッチングの溶液としては、例えばＫＯＨ水溶液や、４メチル水酸化アンモニウムやエチレンジアミン・ピロテコールなどを用いることができる。この際、平坦領域１０ａとする領域にフォトリソグラフィーにより形成したマスクを設けることにより、粗面化しない平坦な領域を形成することができる。マスクとしては例えば酸化ケイ素や窒化ケイ素等を用いることができる。マスクは１００ｎｍ〜２００ｎｍの厚さで形成するのが好ましい。

半導体構造１０の側面は、下面から上面に向かって広がるように傾斜して設けることができる。つまり、半導体構造１０の側面は、下面から上面に向かうにつれて徐々に外側へ広がった形状とすることができる。このとき、傾斜角度（下面と側面が成す角度）は好ましくは９１°以上１３０°以内、より好ましくは９５°以上１２５°以内、さらに好ましくは１００°以上１２０°以内とすることができる。これにより、側面に向かう光を効率よく上方へと取り出すことができるため、配光特性の制御がより容易になる。

（正電極３０及び負電極４０）
正電極３０は、例えば、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ等とでき、好ましくは酸化インジウムスズを使用することができる。これらの材料を用いることにより、当接する部材と良好なオーミック接触が得られる。

負電極４０は、正電極３０と同一材料を用いることもできるし、異なる材料を用いることもできる。図３に示すように、正電極３０及び負電極４０を半導体構造１０の下面に形成することにより、上面全域を光取り出し面とすることができる。なお、図３において、構造をわかりやすくするために、半導体構造１０、正電極３０及び負電極４０についてのみ図示している。また、図３の点線については半導体構造の傾斜面を示している。

（反射膜２０）
反射膜２０は、半導体構造１０の側面側から順に、絶縁部材２１と、金属部材２２と、を含むことができる。本実施形態では、半導体構造１０の側面全域に反射膜２０が設けられている。反射膜２０は、半導体構造１０の側面へと向かう光を、上面側へと反射させるためのものである。反射膜２０は、単膜であってもよいし、多層膜であってもよい。本実施形態においては、反射膜２０として絶縁部材２１と、金属部材２２と、を順に設けているが、いずれか一方のみを用いることもできるし、他の構成を採用するもできる。以下、絶縁部材２１と金属部材２２とについて説明する。

（絶縁部材２１）
本実施形態でいう絶縁部材２１とは、半導体構造１０側から順に、単層の膜からなる第１層と、誘電体多層膜からなる第２層と、を形成したものである。

第１層は、比較的厚く、ＧａＮ系半導体よりも低屈折率の絶縁材料を用いることができる。絶縁部材２１としては、酸化ケイ素、酸化ニオブ等を用いることができる。絶縁部材２１の膜厚は、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下、好ましくは３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。これにより、浅い角度で入射した光を、全反射させることができる。

第２層は、いわゆるＤＢＲであり、低屈折率材質層と高屈折材質層とを組み合わせた誘電体多層膜からなる。第２層は、例えば、酸化ケイ素／酸化ニオブを２ペア以上積層させることで得られる。誘電体多層膜を構成する各層には、酸化ケイ素及び酸化ニオブのほかにも例えば、酸化アルミ、酸化ジルコニウム、窒化アルミ、窒化ケイ素などを用いることができる。これにより、第２層に対して主に垂直方向に入射する光を反射することができる。

（金属部材２２）
反射膜２０として、絶縁部材２１を設ける場合、その外側には金属部材２２を形成することができる。金属部材２２としては、例えば、アルミニウム、銀、ロジウムから選択された少なくとも一種の金属を含むことができる。なかでも、アルミニウムを含むことが好ましい。これにより、絶縁部材２１で反射できなかった光も反射することができるため、光を損失なく反射できる。

（保護部材２３）
反射膜２０として、金属部材２２を覆うように保護部材２３を設けることもできる。保護部材２３としては、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素等を用いることができる。これにより、発光素子１００の最表面に金属が露出しないため、電流リークなどがない信頼性の高い発光素子１００とすることができる。なお、保護部材２３は半導体構造１０の上面（平坦領域１０ａ及び粗面領域１０ｂ）にも形成することができる。

（パッド電極５０）
パッド電極５０は、例えば、亜鉛、ニッケル、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、コバルト、鉄、マンガン、モリブデン、クロム、タングステン、ランタン、銅、銀、金、イットリウム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が好ましい。具体的には、半導体構造１０側からチタン／ロジウム／金／チタンとできる。

半導体発光素子を下面（電極形成面）側から見た際に、パッド電極５０はｐ電極とｎ電極とを絶縁した状態で、素子の広い領域に設けることができる。こうすることにより、実装時に接続が容易となる。

＜実施例＞
本実施例は図１〜図３に示した発光素子１００に対応するものである。以下、図１〜図３を参照して実施例の発光素子について説明する。

まず、サファイア基板上に、それぞれが窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、ｐ型層を順に積層し、半導体構造を作製した。その後、傾斜角度が１１０°となるように半導体構造の側面をエッチングにより除去した。その後、図１に示すパターンに、活性層からの光を反射する反射膜２０を形成した。反射膜２０としては、半導体発光素子の側面に形成された酸化ケイ素よりなる絶縁部材２１の第１層（３００ｎｍ）と、酸化ケイ素／酸化ニオブの誘電体多層膜よりなる絶縁部材２１の第２層（４２０ｎｍ）と、その上に形成されたＡｌ−Ｃｕ合金よりなる金属部材２２（３００ｎｍ）をスパッタ法で、さらにその上に形成された酸化ケイ素よりなる保護部材２３（５００ｎｍ）をＣＶＤ法でそれぞれ形成した。

次に、ｎ型層にウェットエッチングによる粗面処理を施した。この際、反射膜２０上の領域をフォトリソグラフィーにより形成したマスクにて被膜しておく。これによりマスキング部には平坦領域１０ａ、それ以外には粗面領域１０ｂがそれぞれ形成される。本実施例では、半導体構造の上面において、平坦領域１０ａの面積は全体の面積に対して１３％とした。

次に、平坦領域１０ａ上のマスクを除去した。以上のようにしてピーク波長４５９ｎｍの発光素子を作製した。

＜比較例＞
比較例として、平坦領域のない（半導体構造の上面がすべて粗面領域である）発光素子を作製し、実施例の発光素子と配光特性を比較した。

＜評価＞
図４に実施例と比較例の相対発光強度の測定結果を示す。実線が実施例であり、破線が比較例である。図４（ａ）は素子の測定方向を示している。図４（ｂ）及び図４（ｃ）において、縦軸は相対発光強度を示し、横軸は放射角度を示している。

図から明らかなように、実施例は比較例に比べて、０°方向における測定の場合及び９０°方向における測定の場合のいずれにおいても、斜め方向からの光の強度が正面方向から観察される光の強度よりも、相対的に大きくなっていることが理解できる。これは、平坦領域において、入射角の小さい光を優先的に取り出すことができているためと考えられる。なお、９０°方向において０°〜９０°では相対発光強度があまり向上していないが、これはｎ電極形成面において活性層が除去されていることが影響しているものと考えられる。

斜め方向における相対発光強度を大きくすることができることにより、ディスプレイ等に用いた際にも視野角の大きい、正面方向以外から見た際にも一定の明るさを保つことができる。

１００…発光素子
１０…半導体構造
１０ａ…平坦領域
１０ｂ…粗面領域
２０…反射膜
２１…絶縁部材
２２…金属部材
２３…保護部材
３０…正電極
４０…負電極
５０…パッド電極

Claims (4)

1. 上面、側面及び下面を有し且つ前記側面が前記下面から前記上面に向かって広がるように傾斜する半導体構造と、前記半導体構造の下面側に設けられた正電極及び負電極と、前記半導体構造の側面に設けられた反射膜と、を備え、前記半導体構造の上面側から光を取り出す発光素子であって、
   前記半導体構造は、その上面において、内側に設けられた粗面領域と、外側に設けられた平坦領域と、を有し、
   前記反射膜は、前記半導体構造の側面全域に設けられている発光素子。
2. 前記反射膜は、前記半導体構造の側面側から順に、絶縁部材と、金属部材と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記反射膜はＡｌを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記反射膜は、誘電体多層膜を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子。