(57)【要約】      （修正有）【課題】寿命特性が良好である半導体発光素子及びその評価方法を提供する。【解決手段】光取り出し面側に電極部を有してなる半導体発光素子であって、光取り出し面上の位置ｉにおける、光取り出し面上の最大輝度を１としたときの相対輝度をｍi、位置ｉの数をｎ、光取り出し面上における各輝度の相加平均をＸとしたときに、下記式（１）で規定される指標σの値がσ≦０．０１３を満たす。またこの半導体発光素子を良品と評価する。2016195182.tif 000007【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光取り出し面側に電極部を有してなる半導体発光素子であって、
前記光取り出し面上の位置ｉにおける、前記光取り出し面上の最大輝度を１としたときの相対輝度をｍi、位置ｉの数をｎ、前記光取り出し面上における各輝度の相加平均をＸとしたときに、下記式（１）で規定される指標σの値がσ≦０．０１３を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
【数１】
2016195182.tif 000005
【請求項２】
光取り出し面側に電極部を有してなる半導体発光素子の評価方法であって、
前記半導体発光素子を発光させた状態で、前記光取り出し面の位置ｉにおける、前記光取り出し面上での最大輝度を１としたときの相対輝度ｍiを測定する工程と、下記式（２）に基づいて指標σを算定する工程を有し、前記指標σの値がσ≦０．０１３を満たす前記半導体発光素子を良品と評価することを特徴とする半導体発光素子の評価方法。
【数２】
2016195182.tif 000006
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子及びその評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤを初めとした半導体発光素子の普及が多様な技術分野で広がっており、更なる高輝度化や長寿命化が求められているところである。例えば、下記特許文献１には、青色発光ダイオードや紫外ＬＥＤといった短波長を用いた白色発光デバイスにおいて、長寿命化に資する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９―２１２３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体発光素子の輝度を高めるためには、高い電流を供給する必要がある。しかし、このように高い電流が供給される結果、高輝度の半導体発光素子は比較的寿命が短くなりやすいという課題がある。
【０００５】
半導体発光素子においては、製造された素子を出荷する時点において寿命特性が良好か否かを判別する手法が現時点で確立されていない。つまり、かかる発光素子は、需要者が実際に利用していく中で寿命の長短が判別されることになる。発光素子の製造者にとってみれば、市場に流通させる前の段階で、寿命特性が良好な素子とそうでない素子を判別することができれば、良好な素子のみを市場に流通させることができるため好ましい。また、このような状況は、需要者にとっても、寿命特性の良好な素子を容易に入手することができるため、好ましいといえる。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑み、簡易な方法によって、半導体発光素子の寿命特性の良否判定を行うことのできる方法を提供することを目的とする。また、本発明は、寿命特性が良好である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】
【０００７】
本発明は、光取り出し面側に電極部を有してなる半導体発光素子であって、
前記光取り出し面上の位置ｉにおける、前記光取り出し面上の最大輝度を１としたときの相対輝度をｍi、位置ｉの数をｎ、前記光取り出し面上における各輝度の相加平均をＸとしたときに、下記式（１）で規定される指標σの値がσ≦０．０１３を満たすことを特徴とする。
【数１】
2016195182.tif 000002
【０００８】
本発明者の鋭意研究により、半導体発光素子の寿命は、光取り出し面上における輝度の分布と相関性を有することを見出した。上記の条件を満たす半導体発光素子によれば、光取り出し面上における輝度の分布が低く抑えられており、長時間点灯させた場合においても、光束維持率を高い値に保つことができる。この点は、「発明を実施するための形態」の項で実施例を参照して後述される。
【０００９】
また、本発明は、光取り出し面側に電極部を有してなる半導体発光素子の評価方法であって、
前記半導体発光素子を発光させた状態で、前記光取り出し面の位置ｉにおける、前記光取り出し面上での最大輝度を１としたときの相対輝度ｍiを測定する工程と、下記式（２）に基づいて指標σを算定する工程を有し、前記指標σの値がσ≦０．０１３を満たす前記半導体発光素子を良品と評価することを特徴とする。
【数２】
2016195182.tif 000003
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、寿命特性の良好な高輝度の半導体発光素子を市場に流通させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半導体発光素子を光取り出し面側から見たときの模式的な図面である。
【図２】光取り出し面の撮像データの一例である。
【図３】撮像データ上の位置別の各輝度を、最大輝度を１としたときの相対輝度値として算定し、０．０１刻みでヒストグラム化したものの一例である。
【図４】各素子の指標σの値と光束維持率の関係を示すグラフである。
【図５】検証結果をまとめた表である。
【図６】半導体発光素子を光取り出し面側から見たときの別の模式的な図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、半導体発光素子を光取り出し面側から見たときの模式的な図面の一例である。半導体発光素子１は、光取り出し面２上の一部の領域に電極部３を有している。図示されていないが、半導体発光素子１は、基板と、この基板の上層にｐ型半導体層、活性層、及びｎ型半導体層が積層されてなる半導体層とを有する構成であり、例えば、ｎ型半導体層が光取り出し面２を構成している。なお、ｎ型半導体層の上面に光透過性の材料膜が被覆されており、当該材料膜が光取り出し面２を構成していても構わない。また、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の位置が反転していても構わない。
【００１３】
半導体発光素子１は、活性層に電流が供給されることで活性層において発光する素子である。このため、半導体発光素子１は、活性層に電流を供給するための電極を備えている。図１に示す電極部３は、この例では、ｎ型半導体層に対して電流を供給するための電極部を構成している。なお、ｐ型半導体層に対して電流を供給するための電極部は、例えばｐ型半導体層と基板の間に構成されている。
【００１４】
電極部３は、通常は金属製の材料で構成され、活性層から発された光を吸収する。また、電極部３は、透光性を有した導電性材料で構成される場合もあるが、この場合であっても、電極部３が形成されていない領域に比べると、一定の割合で光が吸収されてしまう。このため、電極部３が形成されている領域については他の領域よりも輝度が低下する。
【００１５】
図１に示すように、電極部３は、一部の箇所に電流供給部４を備えている。電流供給部４は、外部からワイヤ線等を通じて電流が供給される領域であり、この電流供給部４に供給された電流が、電極部３を通じて光取り出し面２に平行な方向に拡げられた状態で活性層に供給される。これにより、活性層内の広い範囲で発光し、光取り出し効率が向上する。なお、半導体発光素子１に対して高い電流を供給する場合、光取り出し面２のうち、電流供給部４の近傍の領域には電流が集中しやすく、当該領域の輝度が高くなる傾向にある。この点については、図２を参照して後述される。
【００１６】
半導体発光素子１は、光取り出し面２上の位置ｉ（後述する図２内におけるＸＹ平面上の位置ｉ）における、光取り出し面２上の最大輝度を１としたときの相対輝度をｍi、位置ｉの数をｎ、光取り出し面２上における各輝度の相加平均をＸとしたときに、上述した式（１）で規定される指標σの値がσ≦０．０１３を満たすように構成されている。上記σの値が０．０１３を超える場合には、０．０１３以下の場合よりも、長時間の連続点灯後における光束維持率が低下することが確認される。つまり、σ≦０．０１３となるような輝度分布を示す半導体発光素子１によれば、長時間の連続点灯後においても光束維持率の低下が抑制され、長寿命に資する素子が実現される。この点につき、以下においてデータを参照して説明する。
【００１７】
［評価方法］
まず、評価方法について説明する。
【００１８】
（ステップＳ１）
評価対象となる半導体発光素子として、１１種類のＬＥＤを準備した。そして、これらのＬＥＤに対して１Ａの電流を供給して発光させた。
【００１９】
（ステップＳ２）
Spricon社製のビームプロファイラ「Laser Beam Diagnostics (FX-50)」を撮像装置として用い、Spricon社製の望遠レンズ「4X Beam Reducer (P/N :SPZ17017)」、減光フィルタ、及び20mmのアダプタを介して光取り出し面を撮像した。そして、Ophir社製のソフトウェアであるBeamStarによって４００％のカメラ画像を取り込む際の設定条件下で、発光領域を最大面積で取り込むことで光取り出し面の撮像データを取得した。この撮像データの一例を図２に示す。
【００２０】
図２は、輝度が等しい箇所を線で結ぶことで等高線型の表記をした図面であり、輝度の高低に応じた色分けがされている。本方法では、８０px×６０pxの画素相当、すなわち４８００個の画素からなる撮像データを取得した。すなわち、位置ｉの数ｎ＝４８００である場合に対応する。なお、図２における縦軸及び横軸は、それぞれ光取り出し面２上における座標を示す値である。
【００２１】
図２によれば、光取り出し面２のうち、電流供給部４に対してＸ方向に離れた位置よりも、電流供給部４に近い位置の方が相対的に輝度が高くなっている様子が示されている。
【００２２】
（ステップＳ３）
ステップＳ２で得られた撮像データには、光取り出し面２の外側に位置する領域の輝度情報も含まれている。これは、前記の撮像データが、撮像装置によって光取り出し面２を撮像することで得られたデータであるため、光取り出し面２の外周部と撮像領域を完全に一致させることができないという事情や、ノイズが重畳してしまうという事情によるものである。図２に示されている左右端部の黒っぽい領域（輝度値が低い領域）が、このような光取り出し面２の外側に位置する領域に対応する。
【００２３】
そこで、本ステップＳ３では、ステップＳ２で得られた撮像データから、実際の光取り出し面に対応したデータを抽出する。具体的には、ステップＳ２における撮像データ上の位置別の各輝度を、最大輝度を１としたときの相対輝度値として算定し、相対輝度が０．５以上を示す位置のデータのみを抽出する。本ステップＳ３により、光取り出し面２の領域内における位置別の輝度値が算定される。
【００２４】
図３は、ステップＳ２における撮像データ上の位置別の各輝度を、最大輝度を１としたときの相対輝度値として算定し、０．０１刻みでヒストグラム化したものの一例である。本ステップは、図３に示されるヒストグラムにおける、輝度０．５以上の値のみを抽出する工程である。
【００２５】
（ステップＳ４）
ステップＳ３で抽出された位置別の相対輝度の値に基づいて、上記式（１）に基づいて指標σの値を算定する。なお、念のため、式（１）を再掲しておく。
【数１】
2016195182.tif 000004
【００２６】
本評価では、１１種類のＬＥＤを評価対象としているため、各ＬＥＤに対してそれぞれの指標σの値が導出される。
【００２７】
（ステップＳ５）
ステップＳ４でされた各ＬＥＤの指標σが、σ≦０．０１３を満たすＬＥＤを、寿命特性が良好な良品と判定する。
【００２８】
［検証］
上記１１種類のＬＥＤに対して、１Ａの電流を２５００時間連続して供給した後の光束維持率を測定し、ステップＳ１〜Ｓ４を経て算定された各ＬＥＤの指標σとの関係をグラフ化した。このグラフを図４に示す。なお、光束維持率は、紫外線積算光量計UIT-250（ウシオ電機株式会社製）によって測定された。測定に際しては、３６５ｎｍ付近の波長の光に対しては受光器UVD-S365（ウシオ電機株式会社製）をセパレート型受光部として使用した。なお、波長に応じて別の受光器を使う。例えば、３８５〜４３５ｎｍ付近の波長の光に対しては受光器UVD-S405（ウシオ電機株式会社製）をセパレート型受光部として使用する。冷却ステージ上のＬＥＤ素子固定基板から約30mm離してＬＥＤ素子の直上に前記の受光部を固定設置し、点灯開始後１時間での照度測定値に対する測定値の比率を光束維持率として算定した。なお、図４内に示されている＃１〜＃１１の各符号は、評価対象である各ＬＥＤの番号を示している。
【００２９】
図４によれば、指標σ≦０．０１４の範囲内に位置するＬＥＤ（＃１〜＃７）については、光束維持率が８０％を上回っている。これに対し、指標σ＞０．０１４の範囲内に位置するＬＥＤ（＃８〜＃１１）については、光束維持率が８０％を下回っている。また、指標σ＞０．０１４の範囲内においては、σの値が大きくなるに連れて光束維持率の値も急激に低下していることが分かる。
【００３０】
ＬＥＤは、光束維持率が初期の７０％になるまでの点灯時間を寿命と規定されることが多い（Ｌ７０規格）。この観点に立てば、１Ａもの高電流を連続して２５００時間供給した後の光束維持率が８０％以上を示すＬＥＤについては、良品と判定するに値する素子であるといえる。
【００３１】
また、図４によれば、指標σ≦０．０１３の範囲内に位置するＬＥＤ（＃１〜＃５）については、光束維持率が８５％を上回っている。つまり、この範囲内のＬＥＤについては、光束維持率が高く、寿命特性が極めて優れている素子であると評価することができる。
【００３２】
図５は、今回の検証に利用した１１種類のＬＥＤ（＃１〜＃１１）の構成及び結果をまとめた表である。図５における「評価」の項では、寿命特性が極めて優れていると判断される素子を「Ａ」、寿命特性が優れていると判断される素子を「Ｂ」、寿命特性が好ましくないと判断される素子を「Ｃ」と記載している。これらは、指標σ≦０．０１３の範囲内に位置するＬＥＤをＡ評価とし、指標０．０１３＜σ≦０．０１４の範囲内に位置するＬＥＤをＢ評価とし、指標σ≦０．０１４の範囲内に位置するＬＥＤをＣ評価として記載したものである。
【００３３】
また、図５の表における「電極形状タイプ」の項は、光取り出し面２側に形成されている電極部３の形状のタイプを示している。図５では、光取り出し面２側から見て、図１に示す形状を有するものをタイプαと称し、図６に示す形状を有するものをタイプβと称している。
【００３４】
なお、各ＬＥＤ（＃１~＃１１）は、発光波長や動作電圧に応じて半導体層や電極の構成（組成、厚み等）、並びに製造時の条件が異なる素子であると想定される。
【００３５】
本方法によれば、構成や製造条件を異ならせて製造されたＬＥＤについても、指標σの値によって寿命特性が良好か否かの判断を行うことができる。つまり、本方法によれば、出荷前の時点で、寿命特性が良好か否かの評価を行うことができるため、生産者は、良品のＬＥＤのみを市場に供給することが可能となる。
【００３６】
本発明者は、σの値によって寿命特性の評価を行うことができる理由につき、以下のように考察している。σの値が大きい半導体発光素子については、特定の箇所に電流が集中している結果、当該箇所が際立って輝度が高くなっていることが考えられる。このように、特定の箇所に電流が集中する状態で、素子に対して電流が長時間供給されると、素子が高温になることで、半導体層に割れや溶融が生じ、素子寿命が低下するものと考えられる。逆に、σ≦０．０１３の範囲内に位置する半導体発光素子を構成することで、通電時に電流が特定の箇所に集中する状態の発現が抑制されるため、素子寿命が向上すると考えられる。
【００３７】
上記の実施形態では、図５に示すように、波長が３６０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下の近紫外領域の波長帯のＬＥＤを用いて検証を行った。しかし、前述した考察に基づけば、本方法は、発光波長がこれらの波長帯に含まれるＬＥＤに特化して適用されるものではなく、光取り出し面側に電極部を有してなる半導体発光素子に総じて適用可能であるといえる。
【００３８】
なお、上述したステップＳ２において、減光フィルタを介して光取り出し面を撮像しているのは、撮像されたデータの輝度分布を認識できる程度に光量を低下させるためである。例えば、ＬＥＤの光取り出し面上での発光強度が極めて高い場合、このような減光フィルタを用いないで光取り出し面を撮像したデータの輝度を抽出すると、ほぼ全ての位置において高すぎる輝度値が認識されてしまい、図３のような分布を得ることができないことが想定される。上記の方法は、光取り出し面上における輝度の分布に基づいてＬＥＤ素子の寿命特性を評価する方法であるため、光取り出し面上における輝度の分布の情報を取得する必要がある。
【００３９】
従って、ＬＥＤの光取り出し面上での発光強度が弱い場合等、減光フィルタを介さなくても光取り出し面上における輝度分布を測定することができる場合には、ステップＳ２において必ずしも減光フィルタを介して光取り出し面を撮像しなくてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１      ：    半導体発光素子
２      ：    光取り出し面
３      ：    電極部
４      ：    電流供給部
【図１】
2016195182.tif 000008
【図２】
2016195182.tif 000009
【図３】
2016195182.tif 000010
【図４】
2016195182.tif 000011
【図５】
2016195182.tif 000012
【図６】
2016195182.tif 000013