JP5598349B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、第１主面及び第２主面を有する半導体部と、第１主面側に設けられた第１電極と、第２主面側に設けられた第２電極と、を備える発光素子に関する。

従来の発光素子として、発光素子の中心に「パッド」が配置され、その「パッド」から「細線電極」が十字形状に延伸するように配置されているものがある（特許文献１参照）。

特開2008-282851号公報

しかしながら、従来の構造では、電流密度が均一でなく、それに伴い発光にムラがでるという問題があった。一般に、外部から電流を供給するためのワイヤが接続されるパッドに近い領域は電流密度が高くなり、細線電極があったとしてもパッドから離れるしたがって電流密度は低下する。したがって、従来の構造では、パッド近傍だけが強く発光してしまい、細線電極の先端においては弱い発光となる結果、素子全体として発光ムラが生じてしまうという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、発光ムラを抑制しより均一に発光することが可能な発光素子を提供することを課題とする。

一実施形態に係る発光素子は、第１主面及び第２主面を有する半導体部と、第１主面側に設けられた第１電極と、第２主面側に設けられた第２電極と、を備える。第１電極は、第１主面の中心部を取り囲むように配置された３以上の外部接続部と、外部接続部から第１主面の中心部に向かって延伸する第１延伸部と、を備える。

実施形態１に係る発光素子を第１電極の側からみた平面図である。 図１のＸ−Ｘ部における断面図である。 実施形態１に係る発光素子の発光状態を説明するための図である。 実施形態２に係る発光素子を第１電極の側から見た平面図である。 実施形態２に係る発光素子の発光状態を説明するための図である。 実施形態３に係る発光素子を第１電極の側から見た平面図である。 実施形態３に係る発光素子の発光状態を説明するための図である。

以下、本発明に係る発光素子を実施するための形態として、図面を参照しながら説明する。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、特に記載しない限り本発明を以下に限定するものではない。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、詳細説明は適宜省略する。

＜実施形態１＞
図１は本実施形態に係る発光素子１００を第１電極２０側からみた平面図であり、図２は図１のＸ−Ｘ部の断面図である。図３は発光素子１００の電流密度の高低を示すためのシミュレーション結果である。なお、電流密度が高いと発光が強く電流密度が低いと発光は弱いと言えるので、図３から発光の強弱も把握できる。

図１〜３に示すように、本実施形態に係る発光装置１００は、第１主面１１及び第２主面１２を有する半導体部１０と、第１主面１１側に設けられた第１電極２０と、第２主面１２側に設けられた第２電極３０と、を備える。第１電極２０は、第１主面１１の中心部Ｃを取り囲むように配置された３以上の外部接続部２１と、外部接続部２１から第１主面１１の中心部Ｃに向かって延伸する第１延伸部２２と、を備える。ここで「中心部Ｃ」とは、互いに交差する２つの直線で第１主面１１を均等又は略均等に４分割したときの交点をいう。例えば、図１に示すように、第１主面１１が正方形である場合は、２つの対角線の交点が「中心部Ｃ」となる。

これにより、第１主面における電流密度ムラをより軽減することができ、より均一な発光を得ることができる。以下、そのメカニズムについて説明する。

一般的に、外部接続部には発光素子に電流を流すためにワイヤなどの導電性部材が直接接続される。その結果、外部接続部から近い領域では電流密度が高くなり、外部接続部から遠い領域では電流密度が低くなる。これを補うために、外部接続部から延伸する延伸部を設け、より広い領域に電流を拡散させる試みもされている。しかし、延伸部を設けたとしても外部接続部から離れるに従って電流密度が小さくなるので、素子全体として均一な発光を得ることは困難であった。

そこで、３以上の外部接続部２１を第１主面１１の中心部Ｃを取り囲むように配置することにより（中心部Ｃから離れた広い領域に強い発光が期待できる外部接続部２１を配置させることにより）、中心部Ｃから離れた領域においても強い発光を得ることができる（図３参照）。さらに、各外部接続部２１から中心部Ｃに向かって延伸する第１延伸部２２を設ける結果、隣り合う２つの第１延伸部２２の距離を中心部に近くなるほど近くすることができる。つまり、第１延伸部２２は、外部接続部２１から離れるにつれて発光が弱くなるが、外部接続部２１から離れるにつれて隣り合う他の第１延伸部２２との距離が小さくなるため、第１延伸部２２の延伸方向においても十分な強さの発光を確保することができる（図３参照）。その結果、図３に示すように、第１主面において十分な強さの発光を得つつより均一な発光が可能となる。以下、発光素子１００を構成する主な構成要素について説明する。

（半導体部１０）
半導体部１０を構成する材料やその構造については限定されず、種々のものを採用することができる。本実施の形態では、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層が順に積層された構成（図示せず）とし、各層の材料として窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１））を用いている。窒化物半導体はＧａＡｓ等の他の材料と比較して半導体内部の抵抗が大きいため電流を効果的に広げることが難しい。したがって、本実施形態では半導体部を窒化物半導体で構成した場合に特に効果的である。

本実施形態では、ｎ型半導体層側を第１主面１１とし、ｐ型半導体層側を第２主面１２としている。第１主面１１と第２主面２は、互いに半導体部１０の反対側に位置している。発光素子１００では、第１主面１１が光取り出し面であり、第２の主面１２が後述する支持部４０等に実装されている。

本実施形態では、第１主面１１の形状を正方形としている。ただし、第１主面１１の形状は種々選択することができる。一般に発光素子は一枚のウエハから分離されて得られるので、その歩留まりを考慮すれば、第１主面１１の形状は正方形（又は略正方形）であることが好ましい。後述するように外部接続部２１を円の円周上に配置して第１主面１１を有効に利用することを考慮しても、その形状は正方形（又は略正方形）であることが好ましい。

本実施形態では、第１主面１１の形状を正方形とし、その一辺を約３ｍｍとている。ただし、第１主面１１の大きさは種々選択することができる。第１主面１１の形状が正方形（又は略正方形）である場合、その一辺は１．５ｍｍ以上、好ましくは２．０ｍｍ以上、さらに好ましくは２．５ｍｍ以上とすることができる。第１主面１１の面積が小さいと、外部接続部２１を３以上設けたときに電流密度が過度に高くなり好ましくないからである。一辺の上限は特にないが、半導体部１０を一定の結晶性で量産性よく得るためには、４．５ｍｍ以下、好ましくは４．０ｍｍ以下、より好ましくは３．５ｍｍ以下とすることができる。

（第１電極２０）
第１電極２０は、第１主面１１側に設けられる電極であり、外部接続部２１と第１延伸部２２とを備える。具体的には、発光素子１００を第１主面１１側からみた平面視において、中心部Ｃの周囲には中心部Ｃを取り囲むようにして３以上の外部接続部２１が設けられている。外部接続部２１は、ワイヤ等の導電部材を介して外部から電流が供給される部位であり、所謂パッド部である。

外部接続部２１のそれぞれは、中心部Ｃに向かって延伸する第１延伸部２２を備える。つまり、第１延伸部２２は外部接続部２１から離れるに従って（中心部Ｃに近づくに従って）隣り合う他の第１延伸部２２との距離が近くなるように構成されている。

第１電極２２の構造や材料については限定されず種々のものを用いることができる。本実施形態では、第１電極２２として、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（半導体部２０からＴｉ、Ｐｔ及びＡｕが順に積層されていることを意味する。）が順に積層された構造としている。

外部接続部２１のそれぞれは、第１主面１１の中心部Ｃを中心とする円の円周上に等間隔で配置されることが好ましい（図１参照）。これにより、中心部Ｃから各外部接続部２１までの距離を同じとすることができるだけでなく、隣り合う外部接続部２１同士の距離を同じとすることができるので、第１主面１１全体においてより均一に発光させることができる。さらに、第１主面１１側にレンズを配置する場合であれば、第１主面１１の発光領域を円形とすることで光学設計を容易に行うこともできる。ここで、外部接続部２１が「等間隔」で配置されるとは、外部接続部２１同士が完全に等間隔で配置される場合に限られない。例えば、所定の位置に配置された外部接続部と隣り合う一方の側の外部接続部との距離と、上記所定の位置に配置された外部接続部と隣り合う他方の側の外部接続部との距離と、の差が±１０％以内、好ましくは±５％以内、より好ましくは±２％以内の場合も、外部接続部が実質的に等間隔で配置されているとして、「等間隔」と言うものとする。

特に、外部接続部２１のそれぞれは、第１主面１１の中心部Ｃを中心とし第１主面１１の縁部近傍を通る円の円周上に配置されることが好ましい（図１参照）。これにより、第１主面１１において、外部接続部２１で取り囲まれた領域を最大とすることができるので、より広い領域でより均一な発光が可能となる。

第１電極２０は、第１主面１１の中心部Ｃを基準として点対称となるように配置されていることが好ましい（図１参照）。つまり、第１電極２０（外部接続部２１及び第１延伸部２２を含む）を中心部Ｃを中心として１８０度回転させても、回転の前後で同じ形状となることが好ましい。これにより、外部接続部２１で囲まれた領域内をより均一に発光させることができる。ここで、第１電極２０が「点対称」に配置されるとは、第１電極２０が完全に点対称である場合に限られない。たとえば、回転の前後で第１電極が多少ずれていても実質的に点対称であるとして、「点対称」と言うものとする。

発光素子１００では、外部接続部２１の形状を円形とし、その直径を約１７０μｍとし、その数を１２個としている。ただし、外部接続部２１の大きさや数は、発光素子１００に流す電流の大きさや第１主面１１の大きさ等を考慮して種々選択することができる。外部接続部２１が大きいと光を遮るので好ましくなく、逆に外部接続部２１が小さいとワイヤ等の接続が困難になるので好ましくない。また、外部接続部２１が多いと隣り合う外部接続部の間で発光が過度に強い領域が生じるだけでなく、不必要に光を遮ってしまい好ましくない。逆に、外部接続部２１が少ないと隣り合う２つの外部接続部２１の間で発光の弱い領域が生じてしまい好ましくない。これらを考慮して、外部接続部の数は、３以上、好ましくは６以上、より好ましくは８以上、さらに好ましくは１２以上とすることができる。

発光素子１００では、第１延伸部２２の幅を約３０μｍとし、その長さを約０．９ｍｍとしている。ただし、第１延伸部２２の幅や長さは種々選択することができる。例えば、中心部Ｃの発光が強い場合は、全て又は一部の第１延伸部２２を短くしてその端部が中心部Ｃから離れるようにすることができる。逆に、中心部Ｃの発光が弱い場合は、全て又は一部の第１延伸部２２を長くしてその端部が中心部Ｃに近づくようにすることができる。

本実施形態では、第１延伸部２２はその全域において外部接続部２１から中心部Ｃに延伸する構成としたが、第１延伸部２２は部分的に外部接続部２１から中心部Ｃに向かう方向と異なる方向に延伸させることもできる。さらに、第１電極２０は３以上の外部接続部２１とそれらから延伸する第１延伸部２２を有していれば良く、その他に第１延伸部を備えない外部接続部を有していてもよい。

（第２電極３０）
第２電極３０は、第２主面１２側に設けられる電極である。第２電極３０の構造や材料については限定されず種々のものを用いることができる。本実施形態では、第２電極３０として、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕＳｎ／Ａｕ（半導体部１０の側から順に積層されていることを意味する。）が順に積層された構造としている。なお、第２電極３０は、第２主面１２に直接設けられる必要はなく、本実施形態のように後述する支持部４０に設けることができる。

（支持部４０）
本実施形態において、発光素子１００は半導体部１０を支持するための支持部４０を備える。支持部４０の構造や材料は限定されず、種々のものを用いることができる。本実施形態では、支持部４０としてＣｕＷを用いている。

支持部４０は、導電部材（図示せず）を介して第２主面１２と電気的に接続されており、第２主面１２が接続された反対の側において第２電極３０を備える。半導体部１０を第１主面１１側から透過して見たときに、支持部４０と半導体部１０との間に設けられた導電部材は、第１電極２０と重複しないように配置させることが好ましい。第１電極２０と導電部材との位置をずらすことにより、半導体部２０の広い領域に電流を流すことができるためである。本実施形態では、導電部材として、Ａｇ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ（半導体部１０の側から順に積層されていることを意味する。）を用いている。

本実施形態では、発光素子１００が支持部４０を備える構造とているが、支持部４０は必須の構成ではない。支持部４０を備えないときは、第２電極３０を半導体部の第２主面１２に直接設けることができる。

＜実施形態２＞
図４は本実施形態に係る発光素子２００を第１電極２０側からみた平面図であり、図５は発光素子２００の電流密度の高低（発光の強弱）を示すためのシミュレーション結果である。以下、実施形態１と異なる構成について説明する。

実施形態１に係る発光素子１００には１２個の外部接続部２１が設けられているが、本実施形態に係る発光素子２００には１６個の外部接続部２１が設けられている。同様に、実施形態１に係る発光素子１００には１２個の第１延伸部２２が設けられているが、本実施形態に係る発光素子２００には１６個の第１延伸部２２が設けられている。実施形態１に比較して外部接続部２１及び第１延伸部２２の数が増えているので、結果として外部接続部２１同士の間隔は狭まり、そこから延伸する第１延伸部２２同士の間隔も狭まっている。

その結果、発光素子２００は、発光素子１００に比較して、隣り合う２つの外部接続部２１間と隣り合う２つの第１延伸部２２間における発光の弱い領域を減少させ、中心部Ｃ近傍の発光を強めることができる（図５参照）。

＜実施形態３＞
図６は本実施形態に係る発光素子２００を第１電極２０側からみた平面図であり、図７は発光素子３００の電流密度の高低（発光の強弱）を示すためのシミュレーション結果である。以下、実施形態１と異なる構成について説明する。

図６に示すように、本実施形態では、第１電極２０が外部接続部２１と第１延伸部２２の両方から、第１延伸部２２と異なる方向に延伸する第２延伸部２３を備えている。これにより、実施形態１における隣り合う２つの外部接続部２１の間と隣り合う２つの第１延伸部２２の間に生じる発光の弱い領域に第２延伸部２３を配置することができるので、当該領域においてより均一な発光が可能となる（図７参照）。

発光素子３００をより具体的に説明すると、隣り合う２つの第１延伸部２２ａ、２２ｂにおいて、一方の第１延伸部２２ａは、他方の第１延伸部２２ｂに向かって延伸する２つの第２延伸部２３ａを備える。さらに、他方の第１延伸部２２ｂは、２つの第２延伸部２３ａに挟まれた領域に向かって延伸する第２延伸部２３ｂを備える。これにより、一つの第１延伸部の一定の領域に３つの第２延伸部を設けた場合に比較して、より均一な発光を得ることができる。つまり、第１に、第２延伸部を所定の領域に密に設けずより均一に配置することにより、広い領域においてより均一な発光が可能となる。第２に、２つの第２延伸部２３ａに挟まれた領域は発光が弱くなる可能性があるが、そこに第２延伸部２３ｂを配置することにより、隣り合う２つの第１延伸部２２ａ、２２ｂに挟まれた狭い領域においてもより均一な発光が可能となる。

隣り合う２つの第１延伸部２２ａ、２２ｂのうち一方の第１延伸部２２ａにおいて、２つの第２延伸部２３ａは、外部接続部２１ａから離れるにしたがって（第１延伸部２２ａ、２２ｂ間の距離が小さくなるにしたがって）短くなるように設けられている。これにより、発光が過度に強くなることを抑制できるので、隣り合う２つの第１延伸部２２ａ、２２ｂに挟まれた狭い領域においてより均一な発光を得ることができる。

第１延伸部２２それぞれは、中心部Ｃ近傍において、互いに連結するように構成されている。つまり、第１延伸部２２の先端には中心部Ｃの近傍で中心部Ｃを囲む円状の第２延伸部２３を備えており、複数の第１延伸部２２が円状の第２延伸部２３により電気的に連結されている。これにより、中心部Ｃ近傍においてより均一な発光とすることができる。

さらに、中心部Ｃを挟んで反対側に位置する２つ外部接続部２１から延伸する第１電極２２は中央部Ｃにおいて互いに接続されている。ここでは正方形である第１主面１２の各対角線上に位置する２つの外部接続部２１が共通の第１延伸部２２により接続されている。これにより、第１延伸部２２が中心部Ｃを通ることになるので、中心部Ｃにおいても強い発光とすることができる結果、全体として発光ムラをより軽減することができる。

ここでは、第２延伸部２３が外部接続部２１及び第１延伸部２２の両方から延伸する構成とした。ただ、発光ムラを考慮して、第２延伸部２３は外部接続部２１と第１延伸部２２のうちいずれか一方から延伸させてもよい。全ての第１延伸部２２が第２延伸部２３を備える必要はなく、一部の第１延伸部２２が第２延伸部２３を備えるように構成することもできる。第１延伸部２２ａは３以上の第２延伸部を備えることもできるし、第１延伸部２２ｂは２以上の第２延伸部を備えることもできる。第２延伸部２３により、全て又は一部の外部接続部２１を連結することもできるし、一部の第１延伸部２２を連結することもできる。

１００、２００、３００…発光素子
１０…半導体部
２０…第１電極
２１…外部接続部
２２…第１延伸部
２３…第２延伸部
３０…第２電極
４０…支持部

Claims (7)

1. 第１主面及び第２主面を有する半導体部と、前記第１主面側に設けられた第１電極と、前記第２主面側に設けられた第２電極と、を備える発光素子において、
   前記第１電極は、前記第１主面の中心部を取り囲むように配置された３以上の外部接続部と、前記外部接続部から前記第１主面の中心部に向かって延伸する第１延伸部と、を備えることを特徴とする発光素子。
2. 前記第１電極は、前記外部接続部と前記第１延伸部のうち少なくとも一方から、前記第１延伸部と異なる方向に延伸する第２延伸部を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 隣り合う２つの第１延伸部において、
   一方の第１延伸部は、他方の第１延伸部に向かって延伸する２つの第２延伸部を備え、
   前記他方の第１延伸部は、前記２つの第２延伸部に挟まれた領域に向かって延伸する第２延伸部を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記外部接続部は、前記第１主面の中心部を中心とする円の円周上に等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
5. 前記外部接続部は、前記第１主面の中心部を中心とし前記第１主面の縁部近傍配置を通る円の円周上に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発光素子。
6. 前記一方の第１延伸部において、
   前記２つの第２延伸部は、前記外部接続部から離れるにしたがって短くなるように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
7. 前記第１電極は、前記第１主面の中心部を基準として点対称となるように配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の発光素子。