发光元件

摘要

一种发光元件，包括：n型半导体层，其主要包括AlxGa1‑xN(0.5≤x≤1)；p型半导体层；发光层，其夹在n型半导体层与p型半导体层之间；n电极，其连接至n型半导体层；以及多个p电极，其连接至p型半导体层并且按照点图案进行布置。n电极的面积不小于基片面积的25％并且不大于基片面积的50％。

权利要求

1.一种发光元件，包括：

n型半导体层，其主要包括AlxGa1-xN，其中0.5≤x≤1；

p型半导体层；

发光层，其夹在所述n型半导体层与所述p型半导体层之间；

n电极，其连接至所述n型半导体层；以及多个p电极，其连接至所述p型半导体层并且按照点图案进行布置，其中，所述n电极的面积不小于基片面积的25％并且不大于所述基片面积的50％，以及其中，所述p电极的总周长不小于300μm。

2.根据权利要求1所述的发光元件，其中，所述n型半导体层主要包括AlxGa1-xN，x≥

0.65。

3.根据权利要求1或2所述的发光元件，其中，所述n电极的边缘与所述p电极上距所述n电极的所述边缘最远的点之间的距离不超过100μm。

4.根据权利要求1或2所述的发光元件，其中，所述p电极的面积不小于所述基片面积的

45％。

5.根据权利要求1或2所述的发光元件，其中，所述p电极的平面形状是圆形或者具有不少于四个顶点的多边形。

6.根据权利要求5所述的发光元件，其中，所述p电极的所述平面形状是圆形或六边形。

7.根据权利要求1或2所述的发光元件，其中，所述发光层和所述p型半导体层被层叠在所述n型半导体层的凸起部分上,所述凸起部分从连接至所述n电极的表面凸出，以及其中，包括所述n型半导体层的所述凸起部分、所述发光层以及所述p型半导体层的层叠部分的侧面以不小于75°并且不大于90°的角度倾斜。

8.一种发光元件，包括：

n型半导体层，其主要包括AlxGa1-xN，其中0.5≤x≤1；

p型半导体层；

发光层，其夹在所述n型半导体层与所述p型半导体层之间；

n电极，其连接至所述n型半导体层；以及多个p电极，其连接至所述p型半导体层并且按照点图案进行布置，其中，所述n电极的边缘与所述p电极上距所述n电极的所述边缘最远的点之间的距离不超过100μm。

说明书

发光元件

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请基于2016年9月21日提交的日本专利申请第2016-184861号，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及发光元件，并且特别地，涉及紫外光发射元件。

背景技术

[0004] 已知一种发光区域被划分为多个部分的发光元件(例如参见JP-B-3912219)。JP-B-3912219公开了可以解决在远离电极的部分处电流流动降低而引起发光效率降低的问题的发光元件。

发明内容

[0005] 一种由III族氮化物半导体形成并且发射被称为UV-B或者UV-C的短波长范围内的光的发光元件具有高Al成分的半导体层。发光元件可以使n型半导体层具有比发射长波长的光的发光元件更高的薄层电阻，并且可以将具有充分的发射强度的发光层仅限制在靠近n电极的区域。此外，由于发光元件在n型半导体层与n电极之间具有高接触电阻，所以如果该发光元件的n电极被设置有与发射长波长的光的发光元件相当的面积，则该发光元件可能具有高正向电压。

[0006] 假设由JP-B-3912219公开的发光元件由于示例性提及的发光元件的发射波长和半导体层的材料而不计入UV-B或者UV-C波长范围内的发射。此外，JP-B-3912219没有记载发射UV-B或者UV-C波长范围内的光的发光元件的上述问题。

[0007] 本发明的一个目标是提供下述发光元件：即使当该发光元件被配置成发射UV-B或者UV-C波长范围内的光时，该发光元件也可以防止由于半导体层的成分而引起的发光效率的降低和正向电压的升高。

[0008] 根据本发明的实施例，提供由下述[1]至[10]限定的发光元件。

[0009] [1]一种发光元件，包括：

[0010] n型半导体层，其主要包括AlxGa1-xN(0.5≤x≤1)；

[0011] p型半导体层；

[0012] 发光层，其夹在n型半导体层与p型半导体层之间；

[0013] n电极，其连接至n型半导体层；以及

[0014] 多个p电极，其连接至p型半导体层并且按照点图案进行布置，

[0015] 其中，n电极的面积不小于基片面积的25％并且不大于基片面积的50％。

[0016] [2]根据[1]所述的发光元件，其中，n型半导体层主要包括AlxGa1-xN(x≥0.65)。

[0017] [3]根据[1]或[2]所述的发光元件，其中，n电极的边缘与p电极上距n电极的边缘最远的点之间的距离不超过100μm。

[0018] [4]根据[1]至[3]中任一项所述的发光元件，其中，p电极的面积不小于基片面积的45％。

[0019] [5]根据[1]至[4]中任一项所述的发光元件，其中，p电极的平面形状是圆形或者具有不少于四个顶点的多边形。

[0020] [6]根据[5]所述的发光元件，其中，p电极的平面形状是圆形或六边形。

[0021] [7]根据[1]至[6]中任一项所述的发光元件，其中，点图案中的每个p电极在具有圆形形状的情况下的半径或者在具有多边形形状的情况下的边不小于50μm。

[0022] [8]根据[1]至[7]中任一项所述的发光元件，其中，p电极的总周长不小于300μm。

[0023] [9]根据[1]至[8]中任一项所述的发光元件，其中，发光层和p型半导体层被层叠在n型半导体层的凸起部分上,该凸起部分从连接至n电极的表面凸出，以及[0024] 其中，包括n型半导体层的凸起部分、发光层以及p型半导体层的层叠部分的侧面以不小于75°并且不大于90°的角度倾斜。

[0025] [10]一种发光元件，包括：

[0026] n型半导体层，其主要包括AlxGa1-xN(0.5≤x≤1)；

[0027] p型半导体层；

[0028] 发光层，其夹在n型半导体层与p型半导体层之间；

[0029] n电极，其连接至n型半导体层；以及

[0030] 多个p电极，其连接至p型半导体层并且按照点图案进行布置，

[0031] 其中，n电极的边缘与p电极上距n电极的边缘最远的点之间的距离不超过100μm。

[0032] 本发明的效果

[0033] 根据本发明的实施例，可以提供下述发光元件：即使当该发光元件被配置成发射UV-B或者UV-C波长范围内的光时，该发光元件也可以防止由于半导体层的成分而引起的发光效率的降低和正向电压的升高。

附图说明

[0034] 接下来，将结合附图更详细地说明本发明，在附图中：

[0035] 图1是示出实施例中的发光元件的垂直剖面图；

[0036] 图2A是示出由发光元件中的n电极和p电极形成的图案的示例的平面图；

[0037] 图2B是示出沿包括p连接电极的片状部分的层得到的发光元件的水平剖面图；

[0038] 图3A是图示实施例中的发光元件的p电极的位置和尺寸的说明图；

[0039] 图3B是图示其中距离D1大于100μm的作为比较示例的p电极周围的结构的图；

[0040] 图4A和图4B是示出p电极的平面形状和布局图案的示例的平面图；

[0041] 图5A和图5B是示出p电极的平面形状和布局图案的示例的平面图；

[0042] 图6是示出发光元件具有不同平面形状的多种类型的p电极的示例的平面图；

[0043] 图7A是示出p电极的面积的百分比与点图案中的每个p电极的半径或边长之间的关系的曲线图；

[0044] 图7B是示出n电极的面积的百分比与点图案中的每个p电极的半径或边长之间的关系的曲线图；

[0045] 图7C是示出非活跃面积的百分比与点图案中的每个p电极的半径或边长之间的关系的曲线图；

[0046] 图8是基于图7A和图7B的数据以图形示出p电极的面积的百分比与n电极的面积的百分比之间的关系的图；以及

[0047] 图9A、图9B以及图9C是基于图7A、图7B和图7C的数据并且分别示出相对于点图案中的p电极的总周长而不是相对于每个p电极的半径或边长的关系的图。

[0048] 具体实施方式实施例实施例

[0049] 图1是示出实施例中的发光元件1的垂直剖面图。发光元件1发射UV-B波长范围内(315nm至280nm)或者UV-C波长范围内(小于280nm)的紫外光。发光元件1的基片面积不小于0.4mm2并且不大于25mm2。

[0050] 发光元件1具有：基底10、基底10上的n型半导体层11、n型半导体层11上的发光层12、发光层12上的p型半导体层13、连接至n型半导体层11的n电极14、连接至p型半导体层13的多个p电极15、连接至n电极14的n衬垫电极16、连接至p电极15的p连接电极17以及连接至p连接电极17的p衬垫电极18。

[0051] 发光层12、p型半导体层13、n电极14以及p电极15位于绝缘层19中。同时，n衬垫电极16和p衬垫电极18暴露在绝缘层19上。

[0052] 基底10是作为底层来生长n型半导体层11的层，并且由透明材料(例如蓝宝石)形成。发光元件1是在基底10一侧提取光的面朝下的元件。

[0053] n型半导体层11是主要由AlGaN组成的层。包含在n型半导体层11中的施主例如是Si。

[0054] 组成n型半导体层11的AlGaN具有使得n型半导体层11不会吸收从发光层12发射的光的成分。详细地，Al成分越高，则带隙变得越宽，因此n型半导体层11对较短波长的光的吸收越减少。

[0055] 如果将发光层12的发射波长设置在UV-B波长范围内，则n型半导体层11可以具有由AlxGa1-xN(0.5≤x≤0.65)表示的成分。在该情况下，因为当使用具有较低Al成分的AlGaN时更容易生长高质量的晶体，所以n型半导体层11的成分优选地是AlxGa1-xN(0.5≤x≤0.55)。

[0056] 此外，如果将发光层12的发射波长设置在UV-C波长范围内，则n型半导体层11可以具有由AlxGa1-xN(0.65≤x≤1)表示的成分。在该情况下，因为当使用具有较低Al成分的AlGaN时更容易生长高质量的晶体，所以n型半导体层11的成分优选地是AlxGa1-xN(0.65≤x≤0.7)。

[0057] 例如，n型半导体层11包括连接至n电极14的n接触层和连接至发光层12的n覆层。此外，可以在基底10与n型半导体层11之间设置缓冲层。

[0058] 发光层12是通过电子和空穴的重新组合来发射光的层。发光层12至少具有阱层和阻挡层。例如，AlGaN层可以用作为阱层和阻挡层。在该情况下，阱层中的Al成分比n型半导体层11中低。根据发光层12的发射波长适当地确定阱层的成分比例和阻挡层的成分比例。当发光层12的发射波长在例如UV-C波长范围内时，阱层具有由AlxGa1-xN(0.4≤x)表示的成分。

[0059] p型半导体层13是主要由例如AlGaN组成的层。包含在p型半导体层13中的受主是例如Mg。根据发光层12的发射波长适当地确定组成p型半导体层13的AlGaN的成分比例。

[0060] p型半导体层13可以包括例如接触发光层12的p覆层和连接至透明电极的p接触层。

[0061] n电极14是单个片状电极并且具有例如Ti/Ru/Au/Al层叠结构。

[0062] 由于发光元件1如上所述发射UV-B波长范围或UV-C波长范围内的紫外光，所以组成n型半导体层11的AlGaN具有高Al成分以降低n型半导体层11对短波长紫外光的吸收。由于高Al成分，n型半导体层11与n电极14之间的接触电阻很高，因此n电极14的面积(与n型半导体层11的接触面积)优选地不小于发光元件1的基片面积的25％以避免正向电压的升高。因为发光元件1的基片面积不小于0.4mm2并且不大于25mm2，所以n电极14的面积优选地不小于0.1mm2。

[0063] 另一方面，因为在发光元件1的结构中p电极15的面积随着n电极14的面积的增加而减小，并且p电极面积的减小造成发光面积的减小，所以n电极14的面积优选地不大于发光元件1的基片面积的50％。因为发光元件1的基片面积不小于0.4mm2并且不大于25mm2，所以n电极14的面积优选地不大于12.5mm2。

[0064] p电极15按照点图案来布置。p电极15可以具有与n电极14相同的层结构。在该情况下，可以同时形成n电极14和p电极15。

[0065] n衬垫电极16由衬垫部分16a和通孔部分16b组成，并且被布置成使得通孔部分16b连接至n电极14。n衬垫电极16具有例如Ti/Ru/Au/Al层叠结构。

[0066] p连接电极17由片状部分17a和多个通孔部分17b组成，并且被布置成使得通孔部分17b连接至p电极15。p连接电极17具有例如Ti/Ru/Au/Al层叠结构。

[0067] p衬垫电极18由衬垫部分18a和通孔部分18b组成，并且被布置成使得通孔部分18b连接至p连接电极17的片状部分17a。p衬垫电极18具有例如Ti/Ru/Au/Al层叠结构。

[0068] 在发射短波长紫外光的发光元件1中，p型半导体层13吸收从发光层12发射的光并且生成大量的热量。优选的是p衬垫电极18具有大面积以使得由p型半导体层13生成的热量可以有效地散发到外部。由于该原因，p衬垫电极18可以具有比n衬垫电极16大的面积。

[0069] 绝缘层19由绝缘材料(例如SiO2)形成。

[0070] 图2A是示出由发光元件1中的n电极14和p电极15形成的图案的示例的平面图。图2A中省略了n衬垫电极16、p连接电极17、p衬垫电极18以及绝缘层19的图示。

[0071] 图2B是示出沿包括p连接电极17的片状部分17a的层得到的发光元件1的水平剖面图。

[0072] 图1的发光元件1的垂直剖面是沿图2A和图2B中的线A-A得到的。

[0073] 如图1、图2A以及图2B所示，按照点图案布置的多个p电极15通过p连接电极17彼此连接。

[0074] 图3A是图示发光元件1的p电极15的位置和尺寸的说明图。图3A的垂直剖面是在由图2A的线B-B指示的切割位置处得到的，在该切割位置处相邻p电极15之间的距离最短。

[0075] 图3A所示的距离D1是n电极14的边缘与p电极15上距n电极14的边缘最远的点之间的距离。当p电极15例如是圆形时，距离D1是从n电极14的边缘至p电极15的中心的距离。

[0076] 由于发光元件1如上所述发射UV-B波长范围或者UV-C波长范围内的紫外光，所以组成n型半导体层11的AlGaN具有高Al成分以降低n型半导体层11对短波长紫外光的吸收。因此，n型半导体层11具有高薄层电阻，并且发光层12的实际上发射光的部分限于靠近n电极的区域。

[0077] 详细地，在发射UV-B波长范围或者UV-C波长范围内的紫外光的发光元件1中，发光层12的位置距n电极14的边缘的距离大于100μm的部分不发射光或者发射低强度的光。因此，优选地将距离D1设置为不大于100μm。

[0078] 为了减小距离D1以防止发光层12具有未充分发光的部分并且为了提供充足的发光面积，p电极15需要具有相对于其面积的长的周长。将多个p电极15布置成点图案使得相对于多个p电极15的总面积，多个p电极15的周长长度是大的。

[0079] 此外，每个单独p电极15的最优选的平面形状是圆形，使得相对于多个p电极15的面积，多个p电极15的周长长度可以是大的。当p电极15是多边形时，顶点的数量优选地尽可能地大。

[0080] 图3B是图示其中距离D1大于100μm的作为比较示例的p电极15周围的结构的图。在图3A和图3B中，发光层12的部分12a发射具有足够强度的光，而部分12b不发射光或者发射低强度的光。如图3B所示，当距离D1大于100μm时，发光层12的包括中心的部分未充分地发光。

[0081] 图3A所示的距离D2是p电极15的边缘与n电极14的边缘之间的(最短)距离，鉴于在制造期间p电极15和n电极14的定位容差，距离D2需要大约是10至20μm。p电极15与n电极14之间的区域是不产生光发射的区域(在下文中，称为“非活跃区域”)，距离D2可以被视为非活跃区域的宽度。如图3A所示，发光层12的与p电极15不交叠的部分是部分12b，例如，该部分12b是未充分地发光的部分。

[0082] 同时，距离D3是n电极14的位于最靠近的相邻p电极15的中心之间的部分处的宽度。

[0083] 距离D4被定义为最靠近的相邻p电极15的中心之间的距离，或者是规则地布置的p电极15的间距。增加距离D4可以增加在p电极15之间形成的n电极14的面积，但是减小p电极15的总面积。因此，将距离D4设置在例如不小于80μm并且不大于250μm的范围内。

[0084] 为了提供充足的发光面积，p电极15的总面积优选地不小于发光元件1的基片面积的45％，更优选地不小于发光元件1的基片面积的50％。同时，点图案中的每个p电极15的半径或边长优选地不小于50μm，并且p电极15的总周长优选地不小于300μm，使得非活跃面积的百分比可以不大于20％。此处非活跃面积的百分比是非活跃区域的面积相对于发光元件1的基片面积的百分比。p电极15的总周长长度是点图案中所有p电极15的周长的总和。

[0085] 同时，在发光元件1中，n型半导体层11具有从连接至n电极14的表面凸出的凸起部分11a，发光层12和p型半导体层13层叠在凸起部分11a上。当包括n型半导体层11的凸起部分11a、发光层12以及p型半导体层13的层叠部分的侧面具有相对于水平面(与基底10的主表面平行的平面)的大倾角θ时，距离D2变长并且非活跃区域变大。因此，倾角θ优选地尽可能接近90°，并且鉴于制造期间的加工精度，倾角θ优选地不小于75°并且不大于90°。

[0086] 图4A、图4B、图5A以及图5B是示出p电极15的平面形状和布局图案的平面图。

[0087] 图4A所示的p电极15是圆形，并且被布置成使得圆形的中心形成六方晶格以允许高密度的布置。

[0088] 图4B所示的p电极15是六边形，并且被布置成朝向相同的方向使得六边形的中心形成六方晶格以允许高密度的布置。

[0089] 图5A所示的p电极15是正方形，并且被布置成朝向相同的方向使得正方形的中心形成正方晶格以允许高密度的布置。

[0090] 图5B所示的p电极15是三角形，并且被布置成使得相邻三角形被定向成彼此成180°，而且三角形的中心形成蜂巢晶格以允许高密度的布置。

[0091] 为了通过相对于非活跃区域的面积增加p电极15的面积来增加发光面积，p电极15的平面形状优选地是圆形或者具有不少于四个顶点的多边形，并且尤其优选地是圆形或六边形。为了p电极15的高密度布置，圆形优选地是真圆，多边形优选地是规则的多边形。

[0092] 图6是示出发光元件1具有不同平面形状的多种类型的p电极15的示例的平面图。在图6所示的示例中，布置了正方形p电极15和八边形p电极15。如此，发光元件1可以具有不同平面形状的多种类型的p电极15。替选地，例如，可以布置具有不同直径的两种类型的圆形p电极15，或者可以布置正方形p电极15和矩形p电极15。

[0093] 实施例的效果

[0094] 在实施例中，通过使用在发射短波长紫外光的发光元件1中按照点图案布置的多个p电极15，可以通过防止因n型半导体层11的高的薄层电阻而引起的光发射效率的降低来提供充足的发光面积，并且还可以通过提供具有充足面积的n电极14来防止发光元件1的正向电压的升高。

[0095] 示例

[0096] 通过模拟检验了p电极15的形状和尺寸对实施例中的发光元件1的特征的影响。

[0097] 图7A是示出p电极15的面积的百分比与点图案中的每个p电极15的半径(在圆形的情况下)或边长(在多边形的情况下)之间的关系的曲线图。此处p电极15的面积的百分比是p电极15的总面积相对于发光元件1的基片面积的百分比。

[0098] 图7B是示出n电极14的面积的百分比与点图案中的每个p电极15的半径(在圆形的情况下)或边长(在多边形的情况下)之间的关系的曲线图。此处n电极14的面积的百分比是整个n电极14的面积相对于发光元件1的基片面积的百分比。

[0099] 图7C是示出非活跃面积的百分比与点图案中的每个p电极15的半径(在圆形的情况下)或边长(在多边形的情况下)之间的关系的曲线图。

[0100] 图7A、图7B和图7C示出了在p电极15是真圆、规则六边形、正方形以及等边三角形时的计算结果。在p电极15是真圆、规则六边形、正方形以及等边三角形时的布局图案与图4A、图4B、图5A以及图5B所示的布局图案相同。在该计算中，点图案中每个p电极15的半径(在圆形的情况下)或边长(在多边形的情况下)是变化的，而距离D2固定为10μm并且距离D3固定为15μm。距离D1和D4随着点图案中的p电极15的半径或边长的变化而改变。

[0101] 如图7A所示，当使用六边形的p电极15时，相对于点图案中的p电极15的半径或边长，p电极15的面积的百分比最大，当使用圆形的p电极15时，相对于点图案中的p电极15的半径或边长，p电极15的面积的百分比第二大。

[0102] 另一方面，由于n电极14的面积随着p电极15的面积的增加而减小，所以当使用六边形的p电极15时，相对于点图案中的p电极15的半径或边长，n电极14的面积的百分比最小，当使用圆形的p电极15时，相对于点图案中的p电极15的半径或边长，n电极14的面积的百分比第二小。

[0103] 同时，当使用三角形的p电极15时，相对于点图案中的p电极15的半径或边长，非活跃面积的百分比尤其地大，并且圆形、六边形、正方形以及三角形的p电极15之间没有明显的区别。为了提供充足的发光面积，非活跃面积的百分比优选地不大于20％，并且由于该原因，点图案中的每个p电极15的半径或边长优选地不小于50μm。

[0104] 图8是基于图7A和图7B的数据以图形示出p电极15的面积的百分比与n电极14的面积的百分比之间的关系的图。图8示出当p电极15的面积的百分比相同时，使用圆形的p电极15时n电极14的面积的百分比比使用六边形的p电极15时更大。因此，为了降低发光元件1的正向电压，单个p电极15的平面形状优选地是圆形。

[0105] 图9A、图9B以及图9C是基于图7A、图7B和图7C的数据并且分别示出相对于点图案中的p电极15的总周长而不是相对于p电极15的半径或边长的关系的图。

[0106] 图9A、图9B以及图9C示出与图7A、图7B和图7C相似的趋势，使得例如当使用六边形的p电极15时，相对于p电极15的总周长，p电极15的面积的百分比最大，当使用六边形的p电极15时，相对于p电极15的总周长，n电极14的面积的百分比最小。

[0107] 此外，由于如上所述非活跃面积的百分比优选地不大于20％，所以基于图9C，p电极15的周长长度优选地不小于300μm。

[0108] 基于图7A至图7C、图8以及图9A至图9C所示的结果，单个p电极15的平面形状优选地是圆形或六边形。

[0109] 虽然已经描述了本发明的实施例和示例，但是并非意在将本发明限于实施例和示例，并且可以实施各种修改而不偏离本发明的主旨。

[0110] 此外，根据权利要求的本发明不限制于实施例和示例。此外，请注意，实施例和示例中描述的特征的所有组合对于解决本发明的问题而言并非必需的。