JP2006196694A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光取り出し面から、より高い取り出し効率と、光密度をもって面発光することができるようにした半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 第１導電型の第１のクラッド層１と、活性層２と、第２導電型の第２のクラッド層３とを少なくとも有する積層半導体構造部４を有し、この積層半導体構造部４の外周面４ｓが、その積層方向に関して外側に凸の彎曲ないしは屈曲する曲面形状とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子例えばＧａＮ系発光ダイオードＬＥＤに関する。

半導体発光素子、例えば発光ダイオードＬＥＤにおいて、できるだけ高い発光効率で発光させると同時に、この発光を外部に高い取り出し効率をもって取り出すことが必要である。
そして、この取り出し効率を高めるための種々の研究開発がなされている（例えば特許文献１および２）。これら発光ダイオードＬＥＤにおいては、そのＬＥＤチップの形状を例えばチップ周面を凹状に湾曲させた斜面とするとか、実質的にチップの厚さが薄くされた階段状とするなどの方法により、活性層端面に傾斜を持たせて光の放出方向を設定できるようにし、また、内部での反射を回避することによって発光の取り出し効率を高めるとか、内部での反射回数を減じて内部での光の減衰を低めて取り出し効率を高めるというものである。
特開平７−１５３９９３号 特開２００４−１１１４９３号

本発明は、従来の半導体発光素子、例えば上述した従来構造とは異なる発想に基く構造によって、特定の発光取り出し面から、より高い取り出し効率と、光密度をもって面発光することができるようにした半導体発光素子を提供するものである。

本発明による半導体発光素子は、第１導電型の第１のクラッド層と、活性層と、第２導電型の第２のクラッド層とを少なくとも有する積層半導体構造部を有し、該積層半導体構造部の外周面が、その積層方向に関して外側に凸の彎曲ないしは屈曲する曲面形状とされて成ることを特徴とする。

また、本発明による半導体発光素子は、上記第１のクラッド層側の主面を、上記半導体発光素子の光取り出し面とされ、上記曲面形状が、上記積層方向に関する各部の接線の上記光取り出し面に対する傾きが、少なくとも一部において４５°〜５５°とされたことを特徴とする。

また、本発明による半導体発光素子は、上記曲面形状の上記接線の傾きが、上記光取り出し面側に近づくにつれ、急となる彎曲ないしは屈曲形状とされたことを特徴とする。
また、本発明による半導体発光素子は、上記半導体発光素子の上記光取り出し面とは反対側の上記第２導電型側の主面に形成される電極が、上記半導体発光部からの光に対して反射率の高い金属電極によって構成されたことを特徴とする。

上述したように、本発明による半導体発光素子は、第１導電型の第１のクラッド層と、活性層と、第２導電型の第２のクラッド層とを少なくとも有する積層半導体構造部、すなわち発光機能部の外周面形状を、その積層方向に関して外側に凸の彎曲ないしは屈曲する曲面形状とすることにより、一方のクラッド層側の主面を光取り出し面として、この光取り出し面から高い光取り出し効率をもって面発光させることができるものである。
これは、外周形状を外側に凸の曲面形状としたことにより、活性層から積層半導体構造部内を伝播して直接的にこの周面に到来した光や、例えば光取り出し面とは反対側の主面で反射されて周面に向かって到来した光が、この曲面において全反射する確率が高められることによって、目的とする光取り出し面に向わせることができ、これによって光取り出し面からの取り出される光取り出し効率とともに、周面等から外側に取り出される場合に比して本来の目的とする光取り出し面からの導出光の光密度を高めることができるものである。

更に、その曲面形状の接線の傾きを、少なくとも一部において４５°〜５５°とすることにより、また、さらに、その接線の傾きを、光取り出し面側に近づくにつれ、急となる彎曲ないしは屈曲とすることによって、より光取り出し面近傍の周面に到来する光を効率よく全反射させることができ、これらの光を本来の光取り出し面から高い光取り出し効率と、高い光密度をもって導出することができるものである。
そして、更に、光取り出し面とは反対側の主面に対する半導体発光素子の第２導電型側の電極を反射率の高い金属電極によって構成することにより、より光取り出し面からの取り出し効率を高めることができるものである。

図面を参照して本発明による半導体発光素子の実施の形態を説明する。主として短波長の緑ないしは紫外線の高発光率を有する窒化物半導体発光ダイオードのＩｎＧａＮ系の発光ダイオードＬＥＤに適用した場合を例示するものであるが、本発明は、これら例示する実施の形態に限定されるものではない。
図１および図２は、それぞれ上述したＩｎＧａＮ系のＬＥＤ１０の一例の模式的断面図を示す。この例では、第１導電型例えばｎ型のＧａＮによる厚さ例えば３μｍ〜３．５μｍの第１のクラッド層１上にＩｎＧａＮによる例えば厚さ１５０ｎｍの活性層２、第２導電型例えばｐ型の厚さ１００ｎｍ〜３８０ｎｍの第２のクラッド層３が積層された積層半導体構造部４を有して成り、平面パターンが例えば方形、あるいは円形等を有する形状とされる。

そして、この場合、積層半導体構造部４の第１のクラッド層１側の主面を光取り出し面５とされる面発光構成とされる。
この光取り出し面５には、第１の電極６例えばｎ型側電極がコンタクトされ、この光取り出し面５と対向する反対側の第２のクラッド層３側の主面に第２電極７例えばｐ型側電極がコンタクトされる。
光取り出し面５側の第１電極６は、例えば透明電極あるいは網目電極とするとか、光取り出し面の一部に形成するなど、光取り出しが有効になされるように構成することができる。
また、第２電極７は、Ａｇ電極等の発光波長光に対して反射率が高い電極構成とする。

本発明においては、主として発光機能部を構成する積層半導体構造部４の外周面４ｓを、その積層方向に関して外側、すなわち外方に凸の彎曲ないしは屈曲する曲面形状とする。
この曲面形状は、上述した積層方向に関して単一の曲率によらない形状とし、図１に示すように、湾曲面とすることもできるし、あるいは図２に示すように複数の屈曲する面によって構成することもできる。

そして、この外周面４ｓは、その傾きすなわち接線の光取り出し面５とのなす角が、光取り出し面５に近づくにつれ、大に、すなわち急峻となるようにする。例えば図１および図２に示すように、光取り出し面５とは反対側から光取り出し面５に向かう各角度θ１、θ２、θ３が、θ１＜θ２＜θ３とされる。
更に、この外周面４ｓの、少なくとも一部例えば中間部の角θ２が、４５°〜５５°更に望ましくは４８°〜４９°の曲面とされることが望ましい。
このＬＥＤ１０は、例えばＶＰＡ（新日鉄化学社製商品名）、ポリイミド系樹脂等の樹脂によって覆ったパッケージ１１が施される。

上述したように、本発明構成において、外周面４ｓの、少なくとも一部例えば中間部の角θ２が、４５°〜５５°、更に望ましくは４８°〜４９°の曲面とすることによって光取り出し効率が高められる。これは、例えば第２のクラッド層３側の主面、第２電極からの反射による光、活性層２からの発光の外周面４ｓに向かう光が、反射および全反射によって有効に光取り出し面へと向かわせ、繰り返し反射や、迷走する光路を有効に回避できることによるものである。
さらに、この光取り出し効率の向上が図られることについて、次のように考察することができる。すなわち、図３に概略断面図を示すように、サファイア基板２１上に、前述した図１および図２におけると同様の第１のクラッド層１、活性層２、第２クラッド層３による積層半導体構造とするが、その外周形状を単一の傾斜角θを有する形状として考察した。この場合においては、その表面を上述した樹脂ＶＰＡによって覆うパッケージ１１とした。
この構成において、角度θを変化させてサファイア基板２１側からの光取り出し効率をみると、図４に示す結果が得られる。
これによって明らかなように、その角度θを４５°より大で５５°以下とするとき、高い光取り出し効率が得られ、４８°〜４９°でピークを示すものであり、これによって、本発明において、その傾斜角の選定によって高い光取り出し効率が得られることが理解されるものである。

次に、本発明を実施例を挙げて説明する。この場合、図５の表で示すように、
［実施例１］
前述した図２の構成において、その角度θ１＝４５°、θ２＝５０°、θ３＝５０°とする構造１とした。
［実施例２］
前述した図２の構成において、その角度θ１＝４５°、θ２＝５０°、θ３＝５５°とする構造２とした。
［実施例３］
前述した図２の構成において、その角度θ１＝４５°、θ２＝５０°、θ３＝６０°とする構造３とした。
［実施例４］
前述した図２の構成において、その角度θ１＝４５°、θ２＝５０°、θ３＝７０°とする構造４とした。
［実施例５］
前述した図２の構成において、その角度θ１＝４５°、θ２＝５０°、θ３＝８０°とする構造５とした。

これらについての光取り出し効率を、図６に示す。図６において、横軸は構造１〜５を表し、縦軸に４５°の単一傾斜としたときの光取り出し効率に対する各構造１〜５の光取り出し効率の比として示した。
少なくとも４５°の単一傾斜とする場合に比し、４５°より大で、６５°以下を含む外方に凸の曲面形状とすることによって、単一傾斜とする場合に比し、優れた光取り出し効率がえられることがわかる。

上述した本発明による半導体発光素子を製造する方法の一例を、図７の工程図を参照して説明する。
この例においては、図１に示したＬＥＤ１０を製造する場合である。
まず、図７Ａに示すように、基板２１例えばサファイア基板上に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって、順次第１導電型例えばｎ型のＧａＮによる第１のクラッド層１、ＩｎＧａＮによる活性層２、第２導電型例えばｐ型のＧａＮによる第２のクラッド層３をエピタキシャル成長して積層半導体構造部４を構成する。
そして、第２のクラッド層３上に、例えばＡｇ、あるいはＮｉＰｔＡｕＮｉ構造による第２電極７を所定のパターン、直径５０μｍ以下の例えば１４μｍの円形パターンの電極を、例えば蒸着、スパッタリング等によって一旦全面的に形成し、フォトリソグラフィによるパターンエッチングによって形成する。

図７Ｂに示すように、第２電極７を覆って所要直径を有するドライエッチングマスク３０となるレジスト層をフォトリソグラフィによって形成し、これを加熱して所要の曲面を有する形状にリフローによって形成する。この形状は、レジストのアスペクト比、リフロー条件の選定によって選定することができる。

図７Ｃに示すように、マスク３０上から例えばＣｌ_２によるドライエッチングを行う。このようにすると、マスク３０の表面形状を踏襲した所要の形状に、積層半導体層４の外周部４ｓを前述した曲面形状とすることができる。
その後、図７Ｄに示すように、前述した樹脂によるパッケージ１１を施す。
そして、サファイア基板２１側からレーザー照射を行ってレーザーアブレーションによってサファイア基板２１を剥離し、剥離によって第１のクラッド層１側の主面を外部に露呈させ、第１電極６を形成する。
このようにして、図１に示した本発明による半導体発光素子、この例ではＧａＮのＬＥＤが得られる。

そして、例えば図２に示した例における例えば複数の傾斜を異にする曲面形状による外周面４ｓを有する半導体発光素子を形成する場合においては、マスク３０として所要の］傾斜面をそれぞれ有するマスクを用いて複数のドライエッチングを繰り返すことによって形成することができる。

このようにして、高い発光効率を示す例えばＧａＡｓ発光半導体素子を用い、かつ所要光取り出し面、すなわち例えば第１のクラッド層１側の主面から発光光の導出を効率よく行うことができ、高い光密度をもって、また、高い光取り出し効率をもって得ることができるものである。
なお、上述した例では、第１のクラッド層と、活性層と、第２のクラッド層による構成による発光素子とした場合であるが、種々の変形変更を行うことができることはいうまでもないものである。

本発明による半導体発光素子の一例の模式的断面図である。 本発明による半導体発光素子の他の例の模式的断面図である。 光取り出し効率の説明に供する対象とする半導体発光素子の概略断面図である。 本発明の説明に供する素子外周部の傾きと光取り出し効率との関係を示す図である。 本発明による半導体発光素子の実施例の構造１〜５の各部の傾斜角を示す表図である。 図５で示した各構造の半導体発光素子の光取り出し効率の単一傾きによる半導体発光素子のとの光取り出し効率との相対比を示した図である。 Ａ〜Ｅは、本発明による半導体発光素子の製造方法の一例を示す工程図である。

符号の説明

１……第１のクラッド層、２……活性層、３……第２のクラッド層、４……積層半導体構造部、４ｓ……外周面、５……光取り出し面、６……第１電極、７……第２電極、１０……半導体発光素子、１１……パッケージ、２１……サファイア基板

Claims (4)

1. 第１導電型の第１のクラッド層と、活性層と、第２導電型の第２のクラッド層とを少なくとも有する積層半導体構造部を有し、
   該積層半導体構造部の外周面が、その積層方向に関して外側に凸の彎曲ないしは屈曲する曲面形状とされて成ることを特徴とする半導体発光素子。
2. 上記第１のクラッド層側の主面を、上記半導体発光素子の光取り出し面とされ、上記曲面形状が、上記積層方向に関する各部の接線の上記光取り出し面に対する傾きが、少なくとも一部において４５°〜５５°とされたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 上記曲面形状の上記接線の傾きが、上記光取り出し面側に近づくにつれ、急となる彎曲ないしは屈曲形状とされたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 上記半導体発光素子の上記光取り出し面とは反対側の上記第２導電型側の主面に形成される電極が、上記半導体発光部からの光に対して反射率の高い金属電極によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。

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