(57)【要約】【課題】光取り出し効率の良いＬＥＤを提供する【解決手段】ＬＥＤ１は、基板１０と、複数の半導体層１１と、第１の半導体層１３に接続された第１の金属電極２３と、第２の半導体層１５に接続された第２の金属電極２４と、を具備し、第１の金属電極２３と第２の金属電極２４との間に電流が印加されると光を出射する直方体であって、第１の金属電極２３または第２の金属電極２４の少なくともいずれかが、いずれかの側面に形成されている。【選択図】図３
2013251400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に積層された複数の半導体層と、
第１の半導体層に接続された第１の金属電極と
第２の半導体層に接続された第２の金属電極と、を具備し、
前記第１の金属電極と前記第２の金属電極との間に電流が印加されると光を出射する直方体の半導体発光素子であって、
前記第１の金属電極または前記第２の金属電極の少なくともいずれかが、いずれかの側面に形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の金属電極または前記第２の金属電極の少なくともいずれかが、前記第１の半導体層の側面または前記第２の半導体層の側面と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
第１の側面に形成された、前記第１の金属電極が前記第１の半導体層の側面と接続されており、
第２の側面に形成された、前記第２の金属電極が前記第２の半導体層の側面と接続されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１の側面に形成された前記第２の半導体層の側面を覆う第１の絶縁層と、
前記第２の側面に形成された前記第１の半導体層の側面を覆う第２の絶縁層と、を具備し、
前記第１の金属電極および前記第２の金属電極が、それぞれの側面の全面に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２の半導体層の上に形成された、前記第２の金属電極と接続された透明電極を具備することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記透明電極が前記上面の全面に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記側面および前記底面が、光反射層に覆われていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の上に複数の半導体層が積層され、第１の半導体層と第２の半導体層との間に電流が注入されると光を出射する直方体の半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子は、電球等と比べて、長寿命、低消費電力、低駆動電圧、低発熱性、および小型等の長所を有するが、更なる高輝度化が要求されている。
【０００３】
例えば、特開２００６−１２０９２７号公報には、光を外部に出射する効率（光取り出し効率）が高いＬＥＤ１０１が開示されている。図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ１０１は、基板１１０のバッファ層１１２の上に、ｎ型半導体層１１３と、活性層１１４と、ｐ型半導体層１１５と、からなる半導体層１１１が積層されている。
【０００４】
ｎ型半導体である基板１１０の底面には、ｎ側電極である第１の金属電極１２３が形成されている。一方、ｐ型半導体層１１５の光取り出し面である上面２には、パターニングされた透明電極１２２が形成され、さらに、透明電極１２２と接続されたｐ側電極である第２の金属電極１２４が形成されている。ＬＥＤ１０１は、第１の金属電極１２３と第２の金属電極１２４との間に電流が印加されると活性層１１４が発光する。
【０００５】
しかし、第２の金属電極１２４は、上面２から外部への光出射を妨げ、光取り出し効率が低下する要因になっていた。
【０００６】
一方、図２に示す特開２００１−２１０８６７号公報に開示されたＬＥＤ１０１Ａの基板１１０Ａは不導体のサファイアである。ＬＥＤ１０１Ａでは、バッファ層１１２Ａの上に、ｎ型半導体層１１３Ａと、活性層１１４Ａと、ｐ型半導体層１１５Ａと、からなる半導体層１１１Ａが積層されている。そして、一部露出させたｎ型半導体層１１３Ａの表面にｎ側電極である第１の金属電極１２３Ａが形成され、ｐ型半導体層１１５Ａの上面２にｐ側電極である第２の金属電極１２４Ａが形成されている。
【０００７】
ＬＥＤ１０１Ａにおいても、第２の金属電極１２４Ａは、上面２から外部への光出射を妨げ、光取り出し効率が低下する要因になっていた。
【０００８】
なお、ＬＥＤ１０１Ａは、底面３から光を取り出すことも可能である。しかし、第１の金属電極１２３Ａを形成するために、ｎ型半導体層１１３Ａの表面を一部露出することは簡単ではなく、かつ、ｐｎ接合面の面積の減少要因、すなわち、発光面積の減少要因になっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１２０９２７号公報
【特許文献２】特開２００１−２１０８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の実施形態は、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、基板と、前記基板の上に積層された複数の半導体層と、第１の半導体層に接続された第１の金属電極と、第２の半導体層に接続された第２の金属電極と、を具備し、前記第１の金属電極と前記第２の金属電極との間に電流が印加されると光を出射する直方体の半導体発光素子であって、前記第１の金属電極または前記第２の金属電極の少なくともいずれかが側面に形成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、光取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の半導体発光素子の構造を説明するための図であり、図１（Ａ）は上面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図である。
【図２】従来の半導体発光素子の構造を説明するための断面図である。
【図３】第１実施形態の半導体発光素子の斜視図である。
【図４】第１実施形態の半導体発光素子の構造を説明するための図であり、図４（Ａ）は上面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ線に沿った断面図である。
【図５】第２実施形態の半導体発光素子の斜視図である。
【図６】第２実施形態の半導体発光素子の構造を説明するための図であり、図６（Ａ）は上面図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ線に沿った断面図である。
【図７】変形例１の半導体発光素子の斜視図である。
【図８】変形例２の半導体発光素子の斜視図である。
【図９】第３実施形態の半導体発光素子の構造を説明するための図であり、図９（Ａ）は上面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿った断面図である。
【図１０】第４実施形態の半導体発光素子の構造を説明するための図であり、図１０（Ａ）は上面図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＸＢ−ＸＢ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１実施形態＞
図３、図４（Ａ）および図４（Ｂ）を用いて本発明の第１実施形態の半導体発光素子であるＬＥＤ１について説明する。なお図は、いずれも説明のための模式図であり、縦横の寸法比等は実際とは異なっている。また、Ｚ軸方向を上下方向とする。
【００１５】
ＬＥＤ１は、単結晶サファイアからなる基板１０の上に、第１の半導体層１３と、活性層１４と、第２の半導体層１５とからなる複数の半導体層１１が積層されている。そして、ＬＥＤ１は、第１の半導体層１３と第２の半導体層１５との間に電流が注入されると活性層１４が光を発生する窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体発光素子である。ＬＥＤ１は、光取り出し面である上面２と、上面２に対向する底面３と、四方の側面４Ａ〜４Ｄと、を有する略直方体である。
【００１６】
基板１０は、半導体層１１のエピタキシャル成長に適した材料であれば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ＧａＮ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、または炭化ケイ素（ＳｉＣ）等を用いてもよい。
【００１７】
第１の半導体層１３は、Ｓｉ、ゲルマニウム（Ｇｅ）等のドナーを形成する不純物がドープされたｎ型のＧａＮ系半導体からなる第１のクラッド層であり、第２の半導体層１５は、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）等のアクセプタを形成する不純物がドープされたｐ型のＧａＮ系半導体からなる第２のクラッド層である。第１の半導体層１３と第２の半導体層１５との間の活性層１４は、発光領域であり、Ｓｉ、Ｇｅ等がドープされたｎ型層と、不純物を添加しないいわゆるアンドープの層と、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃ等がドープされたｐ型層と、からなる。なお、ＧａＮ、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、またはＡｌＮ等からなり、基板１０と半導体層１１との間に介在するバッファ層は、図示していない。
【００１８】
ＬＥＤ１では、第１の金属電極２３が、第１の側面４Ａに形成され、第２の金属電極２４が、第１の側面４Ａと対向する第２の側面４Ｃに形成されている。そして、光取り出し面である上面２には、光の出射を妨げる金属電極は形成されていない。このため、ＬＥＤ１は光取り出し効率が高い。
【００１９】
外部接続用電極である、第１の金属電極２３および第２の金属電極２４は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、またはＮｉ等の導電性材料からなる単層層または多層層である。
【００２０】
ＬＥＤ１は、第１の金属電極２３および第２の金属電極２４を、適当な接続材料を介して半導体パッケージの外部リード端子等に電気的に接続される。
【００２１】
そして、第１の金属電極２３は第１の半導体層１３の側面と電気的に接続され、第２の金属電極２４は第２の半導体層１５の側面と電気的に接続されている。ＬＥＤ１は、金属電極が半導体層１１に直接、形成されているためコンタクト抵抗が低い。また、金属電極は半導体層１１の側面に形成されるため製造が容易である。
【００２２】
なお、第２の金属電極２４が形成される第２の側面は、第１の金属電極２３と絶縁されていれば、第３の側面４Ｂまたは第４の側面４Ｄであってもよい。
【００２３】
また、半導体層は上記で説明した構成に限られるものではない。例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板の上に、ＡｌＩｎＰからなるｎ型クラッド層である第１の半導体層と、ＧａＩｎＰからなる活性層と、ＡｌＩｎＰからなるｐ型クラッド層である第２の半導体層とを積層した構造のＡｌＧａＩｎＰ系半導体層等であってもよい。また、第１の半導体層、活性層、および第２の半導体層はＬＥＤの基本構成層であり、ＬＥＤはさらに多数の半導体層を有していてもよい。
【００２４】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態の半導体発光素子であるＬＥＤ１Ａについて説明する。なお、ＬＥＤ１Ａは、ＬＥＤ１と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００２５】
図５および図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ１Ａでは、第１の側面４Ａに形成された第１の絶縁層３３と、第２の側面４Ｃに形成された第２の絶縁層３４と、を具備する。第１の絶縁層３３は、少なくとも第２の半導体層１５および活性層１４の側面を覆い、第１の半導体層１３の側面を完全には覆っていない。一方、第２の絶縁層３４は、少なくとも第１の半導体層１３および活性層１４の側面を覆い第２の半導体層１５の側面を完全には覆っていない。そして、第１の金属電極２３Ａは第１の側面４Ａの全面に形成されており、第２の金属電極２４Ａは第２の側面４Ｃの全面に形成されている。
【００２６】
第１の絶縁層３３および第２の絶縁層３４は、エポキシ、ポリイミドもしくはシリコーン等の樹脂材料、または、アルミナもしくはシリカ等の無機材料からなる。
【００２７】
ＬＥＤ１Ａは、ＬＥＤ１が有する効果を有し、さらに、第１の金属電極２３Ａおよび第２の金属電極２４Ａの面積が広いために、外部との接続が容易である。
【００２８】
さらに、第１の金属電極２３Ａおよび第２の金属電極２４Ａは、活性層１４から出射される光を反射する機能を有する。すなわち、第１の側面４Ａおよび第２の側面４Ｃから出射された光が反射されて、一部は上面２から取り出される。このため、ＬＥＤ１Ａは、ＬＥＤ１よりも光取り出し効率が高い。
【００２９】
特に、ＬＥＤ１Ａが上面２が底面３よりも大きい直方体の場合、第１の側面４Ａおよび第２の側面４Ｃで反射した光が効率的に上面２から出射される。
【００３０】
なお、第１の側面４Ａおよび第２の側面４Ｃの全面とは１００％を意味するものではなく、ＬＥＤの仕様によっては９０％程度であってもよい。
【００３１】
＜変形例＞
第１実施形態のＬＥＤ１または第２実施形態のＬＥＤ１Ａは、種々の変形が可能である。
例えば、図７に示す変形例１のＬＥＤ１Ａ１では、第１の金属電極２３Ａ１および第２の金属電極２４Ａ１が、それぞれ四方の側面いずれにも形成されている。
【００３２】
また、図８に示す変形例２のＬＥＤ１Ａ２は、基板１０Ａ２が、ｎ型ＳｉＣからなる。そして、第１の金属電極２３Ａ２が底面３に形成されており、第２の金属電極２４Ａ２が、第２の側面４Ｃに形成されている。
【００３３】
すなわち、本発明のＬＥＤは、絶縁状態にある第１の金属電極２３または第２の金属電極２４の少なくともいずれかが、四方いずれかの側面に形成されており、第１の金属電極２３および第２の金属電極２４が光取り出し面に形成されていなければ、所望の効果を得ることができる。
【００３４】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態の半導体発光素子であるＬＥＤ１Ｂについて説明する。なお、ＬＥＤ１Ｂは、ＬＥＤ１等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００３５】
図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ１Ｂでは、上面２に透明電極４１が形成され、透明電極４１は、第２の金属電極２４Ｂと接続されている。透明電極４１としては、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化スズ（ＳｎＯ２）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の酸化物半導体の化合物、例えばＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３にスズ添加）、ＦＴＯ（ＳｎＯ２にフッ素添加）、またはＧＺＯ（ＺｎＯにガリウム添加）等を用いる。
【００３６】
ＬＥＤ１Ｂは、ＬＥＤ１、１Ａが有する効果を有し、さらに、半導体層１１に印加される電流密度がより均一になるため、面内発光分布の均一性がさらに高いものとなる。
【００３７】
なお、第２の側面４Ｃには第２の絶縁層３４が形成されており、第２の金属電極２４Ｂは第２の半導体層１５と側面でも接続されている。一方、第１の金属電極２３Ｂは、第１の側面４Ａに露出した第１の半導体層１３の側面と接続されている。
【００３８】
しかし、第２の金属電極２４Ｂは第２の半導体層１５の側面と接続されていなくてもよいし、第１の側面４Ａにも絶縁層が形成されていてもよい。
【００３９】
＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態の半導体発光素子であるＬＥＤ１Ｃについて説明する。なお、ＬＥＤ１Ｃは、ＬＥＤ１等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。
【００４０】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように、ＬＥＤ１Ｃでは、第３の側面４Ｂおよび第４の側面４Ｄならびに底面３を覆うように、内部からの光を反射する反射層４２が形成されている。反射層４２は、高反射率の絶縁性材料であり、例えば、絶縁性の白色ソルダーレジスト、または、アルミナ層などを用いる。なお、ＬＥＤ１Ｃのように、反射層４２は金属電極が形成されている領域には重ねて形成されている必要はないが、形成されていてもよい。
【００４１】
ＬＥＤ１Ｃは、ＬＥＤ１等が有する効果に加えて、側面または底面３に出射された光が反射層４２で反射されて上面２から取り出されるため、光取り出し効率がさらに高い。
【００４２】
本発明は上述した実施の形態または変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。
【符号の説明】
【００４３】
１…ＬＥＤ、２…上面、３…底面、４Ａ〜４Ｄ…側面、１０…基板、１１…半導体層、１３…第１の半導体層、１４…活性層、１５…第２の半導体層、２３…第１の金属電極、２４…第２の金属電極、３３…第１の絶縁層、３４…第２の絶縁層、４１…透明電極、４２…反射層
【図１】
2013251400.tif 000003
【図２】
2013251400.tif 000004
【図３】
2013251400.tif 000005
【図４】
2013251400.tif 000006
【図５】
2013251400.tif 000007
【図６】
2013251400.tif 000008
【図７】
2013251400.tif 000009
【図８】
2013251400.tif 000010
【図９】
2013251400.tif 000011
【図１０】
2013251400.tif 000012