JP2000058909A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＬＥＤ動作領域一様に均一な電流を流し、製品
寿命を延ばすこと。 【解決手段】基板１１上に第１クラッド層１２、活性層
１３、第２クラッド層１４、電流拡散層１５、コンタク
ト層１６が順次積層されている。この積層構造と反対側
の基板１１の裏面側に下部電極１０が設けられている。
上記積層表面上において電流ブロック層１７が部分的に
設けられている。透光性の透明電極１８は、電流ブロッ
ク層１７及び第２クラッド層１４上を被覆している。上
部電極１９は、この透明電極１８表面に接続するもので
あり、電流ブロック層１７の上方を覆うように形成さ
れ、かつ電流ブロック層１７の全周囲の側部による段差
を介した近傍の透明電極表面にまで延在させ、電流ブロ
ック層の段差における透明電極のカバレッジを補償す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
係り、特に基板上に形成された結晶成長層表面上に所定
のパターンの電流ブロック層が設けられた発光ダイオー
ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード、ＬＥＤ（Light emitti
ng Diode）は、基板上に第１クラッド層、活性層、第２
クラッド層が順次積層される構造を含む。この基板と、
第２クラッド層にそれぞれ電気的に接続される下部電極
と、上部電極が設けられている。この電極間に動作電流
を流すことによって上記活性層内で発生した光を第２ク
ラッド層側から取り出す。

【０００３】上記のように、第２クラッド層側からの面
発光として光が取り出されるとき、上部電極に光が遮ら
れる。よって、上部電極直下に流れようとする動作電流
をなるべく少なくしなければ、発光効率が低下する。そ
こで、上部電極直下に電流ブロック層を設けて、無駄に
なる電流を制限する。

【０００４】ＬＥＤは、このような電流ブロック層によ
り、光を取り出す部分、例えば上部電極下方の周囲の領
域に電流が集中して流れるような電流狭窄構造を形成す
る。これにより、発光効率を高める。

【０００５】一般に、ＬＥＤでは、第１クラッド層、活
性層、第２クラッド層及び電流ブロック層の形成は、基
板の結晶成長を伴うエピ膜の形成工程を含む。ＬＥＤの
製造では、このエピ膜の結晶性を良好にするために、単
位面指数を表わす面、例えば（１００）面から数度傾け
た切断面のウェハ基板を用いる。このような基板をオフ
基板（off axis基板）と呼ぶ。オフ基板は原子配列のス
テップが表面に現れているもので成長膜の結晶性が良好
となる。

【０００６】上記電流ブロック層は、電流を狭窄させる
所定領域を定めるためエッチング加工される。この電流
ブロック層は、エピ膜への汚染の度合いが極めて低いウ
エットエッチングにより加工される。

【０００７】上記ＬＥＤに使用されるオフ基板として、
（１００）面から［０１１］方向に数度傾けたものを使
用したとすると、（０１１），（０１１）面をＪＵＳＴ
面、（０１１），（０１１）面をＯＦＦ面と称すること
とする（面指数のアンダーラインは上にバーを付すのと
同じ）。

【０００８】このようなオフ基板を基に上記電流ブロッ
ク層をエッチング加工すると、エッチング加工面に関
し、ＪＵＳＴ面側は順メサ形状、ＯＦＦ面側は逆メサ形
状を呈する。なお、この現象は（１００）ＪＵＳＴ面の
基板でも発生し、（０１１）面は順メサ、（０１１）面
は逆メサとなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記電流ブロック層
は、第２クラッド層と共に透明電極で覆われる。この透
明電極は、電流ブロック層上方の上部電極と第２クラッ
ド層とを電気的に接続し、かつ光を通すための電極であ
る。従って、通常、出力光を遮る上部電極は、電流ブロ
ック層の外周から出ないような寸法で形成される。

【００１０】一方、透明電極は、取り出される光の損失
につながる発光の反射、吸収を最小限にするために非常
に薄く被膜される。従って、透明電極に対する上記電流
ブロック層側部へのカバレッジが、順メサ形状では良好
であるが、逆メサ形状では悪くなる。

【００１１】このため、カバレッジの良いＪＵＳＴ面側
に電流が集中する。この結果、ＪＵＳＴ面側は、ＯＦＦ
面側に比べて所定の発光強度を有する発光出力の得られ
る時間が短くなってしまうという問題が生じる。すなわ
ち、ＬＥＤとして使用中、ＪＵＳＴ面側の劣化が早く進
み、やがてはＯＦＦ面側の正常な発光に比べてＪＵＳＴ
面側が先に暗くなる現象が起こる。

【００１２】この発明は、上記のような事情を考慮し、
その課題は、ＬＥＤ動作時、偏った電流集中が起こらな
いよう、ＬＥＤ動作領域一様に均一な電流を流し、結果
的にＬＥＤの製品寿命が延びるような構造を有する半導
体発光素子を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体発光素
子は、基板上に設けられた第１クラッド層、活性層、第
２クラッド層の順序の積層と、前記積層と反対側の前記
基板の裏面側に設けられた下部電極と、前記積層表面上
において部分的に設けられた電流ブロック層と、前記電
流ブロック層及び前記積層表面上を被覆する透明電極
と、前記透明電極表面に接続するものであって、前記電
流ブロック層上方に形成され、かつ所定領域は前記電流
ブロック層の側部による段差を介した近傍の前記透明電
極表面に延在する形態を有する上部電極とを具備するこ
とを特徴とする。

【００１４】この発明では、上部電極を電流ブロック層
の上部から段差を介したその近傍にまで延在させる形態
を有し、電流ブロック層の段差における透明電極のカバ
レッジを補償する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係るＬＥＤ（Light emitting Diode）の構成を示す平
面図、図２は図１のＦ２−Ｆ２線に沿う断面図である。
なお、図１には、共にウェハにおける面方位を表示し
た。

【００１６】基板１１上に第１クラッド層１２、活性層
１３、第２クラッド層１４、電流拡散層１５、コンタク
ト層１６が順次積層されている。この積層構造と反対側
の基板１１の裏面側に下部電極１０が設けられている。
上記積層表面上（コンタクト層１６上）において電流ブ
ロック層１７が部分的に設けられている。透光性の透明
電極１８は、電流ブロック層１７及びコンタクト層１６
上を被覆している。

【００１７】上部電極１９は、この透明電極１８表面に
接続するものであり、電流ブロック層１７の上方を覆う
ように形成されているのは当然のこと、この実施形態で
はさらに、電流ブロック層１７の全周囲の側部による段
差を介した近傍の透明電極表面にまで延在する形態をと
っている。

【００１８】すなわち、上部電極１９は、透明電極１８
のカバレッジの悪さが懸念される電流ブロック層１７の
側部による段差部分を覆い、段差を経た透明電極１８上
に接続される。これにより、透明電極１８のカバレッジ
を補償する構成となる。

【００１９】特に、基板１１は、第１クラッド層１２、
活性層１３、第２クラッド層１４及び電流ブロック層１
７の各エピ膜の結晶性を良好にするために、単位面指数
を示す面方位から所定の角度傾けた切断面（主表面）を
有する基板（オフ基板）を用いる。

【００２０】（１００）面から［０１１］方向に数度傾
けたオフ基板を使用したとすると、（０１１），（０１
１）面をＪＵＳＴ面、（０１１）、（０１１）面をＯＦ
Ｆ面と称する（面指数のアンダーラインは上にバーを付
すのと同じ）。

【００２１】このようなオフ基板１１を基に上記電流ブ
ロック層１７をウェットエッチング加工すると、エッチ
ング速度の面方位依存性により、エッチング加工面に偏
りが生じる。すなわち、ＪＵＳＴ面側は順メサ形状、Ｏ
ＦＦ面側は逆メサ形状を呈する。

【００２２】すなわち、図２には、ＯＦＦ面側に向いた
逆メサ形状の電流ブロック層１７の側部が現れている。
このような電流ブロック層１７の逆メサ形状の側部は、
薄い透明電極１８のカバレッジを不安定なものとする。

【００２３】よって、この発明においては、少なくと
も、逆メサ形状になる電流ブロック層１７の側部を被覆
しているＯＦＦ面側の透明電極１８に対し、第２クラッ
ド層上の導電性を向上させるために上部電極１９のパタ
ーンを工夫したのである。

【００２４】これにより、上部電極１９が電流ブロック
層１７よりも張り出す領域ができるので、発光出力の有
効エリアは実質的には少なくなる。しかし、それを無視
するに値する、ＬＥＤ動作領域での均一な動作電流の発
生が期待できる。この結果、所定の発光効率が長時間平
均して保つことのできるＬＥＤが実現される。

【００２５】このようなことから、透明電極１８表面に
接続される上部電極１９は、少なくとも、電流ブロック
層１７上から電流ブロック層１７任意の側部を介して、
電流ブロック層１７近傍に沿う、ＯＦＦ面側に広がる第
２クラッド層上の領域に形成される構成が重要である。
以下、他の実施形態を説明する。

【００２６】図３は、この発明の第２の実施形態に係る
ＬＥＤの構成を示す平面図である。図示しないが、基板
（１１）上のエピ膜である第１クラッド層（１２）、活
性層（１３）、第２クラッド層（１４）、電流拡散層
（１５）、コンタクト層（１６）及び電流ブロック層
（１７）や、透明電極（１８）の被覆の構成は前記第１
の実施形態と同様である。

【００２７】この第２の実施形態では、図のように、破
線で分けたＪＵＳＴ面側へ広がる領域とＯＦＦ面側へ広
がる領域とで、上部電極１９の被覆形状が異なる。電流
ブロック層１７上方の透明電極１８表面において、上部
電極１９は、ＪＵＳＴ面側へ広がる領域では電流ブロッ
ク層１７周囲より小さい寸法で被覆されている。また、
ＯＦＦ面側へ広がる領域では電流ブロック層１７周囲よ
り大きい寸法で被覆されている。

【００２８】すなわち、透明電極１８表面に接続される
上部電極１９は、電流ブロック層１７上から、ＯＦＦ面
側に広がる電流ブロック層１７の側部を介して、その側
部近傍に沿う第２クラッド層１４上に延在している。

【００２９】図４は、この発明の第３の実施形態に係る
ＬＥＤの構成を示す平面図である。図示しないが、基板
（１１）上のエピ膜である第１クラッド層（１２）、活
性層（１３）、第２クラッド層（１４）、電流拡散層
（１５）、コンタクト層（１６）及び電流ブロック層
（１７）や、透明電極（１８）の被覆の構成は前記第１
の実施形態と同様である。

【００３０】この第３の実施形態では、透明電極１８表
面に接続される上部電極１９は、電流ブロック層１７上
から電流ブロック層１７任意の側部の導電経路２１〜２
４を介して、電流ブロック層１７周囲近傍の第２クラッ
ド層上の領域一様に延在している。上部電極１９は、第
２クラッド層上の確実に平坦な透明電極１８表面領域に
広く接続される。発光出力の有効エリアの確保（発光効
率）を考慮して開口部３１〜３４が設けられている。

【００３１】図５は、上記第３の実施形態の変形例であ
る。電流ブロック層１７上から第２クラッド層上の領域
への導電経路２５〜２８がそれぞれＪＵＳＴ面とＯＦＦ
面の境界あたりを覆うように形成されている。この境界
付近の電流ブロック層１７の側部は、順メサ形状から逆
メサ形状、または、逆メサ形状から順メサ形状に緩やか
に変わる領域である。発光出力の効率を考慮して開口部
３５〜３８が設けられている。

【００３２】図６は、この発明の第４の実施形態に係る
ＬＥＤの構成を示す平面図である。図示しないが、基板
（１１）上のエピ膜である第１クラッド層（１２）、活
性層（１３）、第２クラッド層（１４）、電流拡散層
（１５）、コンタクト層（１６）及び電流ブロック層
（１７）や、透明電極（１８）の被覆の構成は前記第１
の実施形態と同様である。

【００３３】この第４の実施形態では、上記図５で示し
た導電経路２５〜２８を用いる。上記図５を基本構成と
する。しかし、透明電極１８表面に接続される上部電極
１９は、ＪＵＳＴ面側へ広がる領域では第２クラッド層
１４上に延在させない構成となっている。これにより、
発光出力の効率を考慮した開口部は３６と３８の２つに
なる。

【００３４】上記各実施形態によれば、ＬＥＤ通電時に
ＬＥＤ動作領域一様に均一な電流を流すことができる。
よって、長時間通電を行っても特性が安定する。ＪＵＳ
Ｔ面側に偏った電流集中が起こってＬＥＤ動作の急速劣
化が起こるようなことはなくなり、結果的にＬＥＤの製
品寿命が延びるようになる。

【００３５】この発明の各実施形態を実現する製造方
法、使われる半導体材料としては特に限定されない。以
下、製造方法について、図１、図２に示す第１の実施形
態の構成を代表して説明する。基板１１は、例えばＧａ
Ａｓ基板が用いられ、導電型はＮ型とする。上記したの
ように、基板１１は、単位面指数を示す面方位、例えば
［１００］から所定の角度傾けた切断面を有するオフ基
板である。

【００３６】この基板１１上に、ＬＰＥ法（Liquid Pha
se Epitaxy）、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical
Vapor Deposition ）、ＭＢＥ法（Molecular Beam Epi
taxy）、ＶＰＥ法（Vapor Phase Epitaxy ）等を用いて
Ｎ型の第１クラッド層１２、Ｐ型の活性層１３、Ｐ型の
第２クラッド層１４、Ｐ型の電流拡散層１５、Ｐ型のコ
ンタクト層１６、Ｎ型の電流ブロック層１７を順次結晶
成長させる。

【００３７】上記基板、結晶成長の積層は発光色に応じ
て選ばれるが、以下、一例を示す。第１クラッド層１２
の組成は、ＡｌＧａＩｎＰであり、Ｎ型になるドーパン
トを含有する。活性層１３は、ノンドープあるいはわず
かにＰ型になるドーパントを含有する。活性層１３は、
上記第１クラッド層１２とは組成比の異なるＡｌＧａＩ
ｎＰであり、バンドギャップを第１クラッド層１２より
小さいものとする。第２クラッド層１４は、上記第１ク
ラッド層１２と同じ組成比のＡｌＧａＩｎＰであり、Ｐ
型になるドーパントを含有する。第２クラッド層の上に
電流拡散層１５（例えばＰ−ＧａＡｌＡｓ）、コンタク
ト層１６（例えば、Ｐ−ＧａＡｓ）を設け、その上に電
流ブロック層１７を設ける（この電流ブロック層１７と
しては、例えば、Ｉｎ_0.5 （Ｇａ_1-x Ａｌ_x ）_0.5 Ｐ；
1>x>0.5 ）。

【００３８】その後、フォトリソグラフィ技術を用いて
形成した図示しないレジストマスクに従って、電流ブロ
ック層１７をウェットエッチングする。これにより、エ
ッチング面は、（０１１），（０１１）面側では順メサ
形状、（０１１），（０１１）面側では逆メサ形状を呈
する。

【００３９】次に、電流ブロック層１７及びコンタクト
層１６表面上にオーミック接触用の少なくともＺｎの積
層（図示しないが１〜５ｎｍ）を経た後、透明電極１８
を被覆する。透明電極１８は、例えばインジウム（Ｉ
ｎ）・すず（Ｓｎ）酸化物の膜（ＩＴＯ膜と称する）で
あり、真空技術を用いた真空蒸着法やスパッタ法により
およそ１．０μｍ形成する。あるいは、具体例として、
透明電極１８の下には図示しないがコンタクト層１６と
オーミック接触とするためＡｕ／Ｚｎ／Ａｕの積層アロ
イを予め形成してから透明電極１８を１．０μｍ堆積す
る。

【００４０】次に、上部電極１９となるメタル、例えば
Ａｕを形成する。その後、フォトリソグラフィ技術、異
方性エッチング技術を用いて、図１に示すような円形の
上部電極１９のパターンを形成する。

【００４１】その後、基板を薄く研磨加工して下部電極
１０となるメタル、例えばＡｕＧｅを２００ｎｍ程度形
成する。その後、Ｐ，Ｎ層のオーミックを取るためにア
ロイ（だいたい４３０℃、１５分）を行う。その後、チ
ップ状に切り出し、ＬＥＤを作成する。

【００４２】上記基板は当初２５０μｍ、下部電極１０
を形成するとき１５０μｍ程度にされる。第１クラッド
層１２、活性層１３、第２クラッド層１４の積層は、合
わせて３μｍ程度、電流ブロック層１８と透明電極１７
の厚さは共に５０〜３００ｎｍ程度である。上部電極１
７は、直径約１００〜１５０μｍで、電流ブロック層１
８のエッジより０．１〜１０μｍ程度張り出すように形
成されている。（図１）。

【００４３】なお、他の実施形態においても上部電極１
９を各図３〜６に示すようなパターンにエッチング加工
することにより、この発明の課題とされる、ＬＥＤ動作
領域一様に均一な電流を流すような構成を実現できる。

【００４４】図３の上部電極１９は、例えば、ＪＵＳＴ
面側では電流ブロック層１８のエッジより５〜１０μｍ
程度内側に後退して形成され、ＯＦＦ面側では電流ブロ
ック層１８のエッジより５〜１０μｍ程度張り出すよう
に形成される（図１）。

【００４５】図４の上部電極１９は、例えば、電流ブロ
ック層１８上から、電流ブロック層１８のエッジより
０．１〜１０μｍ程度離れた周辺の領域に幅０．１〜１
０μｍ程度有して延在形成される。導電経路２１〜２４
の幅も０．１〜１０μｍ程度有する。開口部３１〜３４
それぞれの幅（電流ブロック層１８のエッジを横切る方
向の距離）は、０．１〜２０μｍ程度とされる。図５も
各々同様な寸法で構成される。

【００４６】図６の上部電極１９は、上記図５で示す寸
法が使われる。すなわち、導電経路２５〜２８は、幅
０．１〜１０μｍ程度であり、２つの開口部３６と３８
は、０．１〜２０μｍ程度の幅を有する。ＯＦＦ面側の
延在領域は、電流ブロック層１８のエッジより０．１〜
１０μｍ程度離れた周辺の領域に幅５〜１０μｍ程度有
して形成される。

【００４７】図７は、この発明の構成のＬＥＤの動作信
頼性を示す、使用時間に対する発光強度の持続性の関係
のグラフである。縦軸のＰｏ／ＰｏＩ（％）表示に関
し、分母のＰｏＩは、使用されるＬＥＤの最初の発光出
力、分子のＰｏは、上記ＬＥＤが所定時間（信頼性時
間）使用されたときの発光出力を示す。なお、使用する
ＬＥＤは、動作電圧は２〜３Ｖ程度、動作電流は２０〜
５０ｍＡ程度であった。

【００４８】図８は、比較のため従来の構成のＬＥＤの
動作信頼性を示す、図７と同様な関係を表わすグラフで
ある。本発明の構成は、動作信頼性が得られる時間、例
えば５００時間の使用でも、発光強度は劣化しない（図
７）。これに対し、従来構成では、発光強度は急速に劣
化し、当初の発光強度より数十％落ちる（図８）。

【００４９】すなわち、従来構成は、図９及びそのＦ１
０−Ｆ１０断面の図１０で示すように、上部電極は、電
流ブロック層の外周から出ないような寸法で形成され
る。このため、透明電極に対する電流ブロック層側部へ
のカバレッジが良い方のＪＵＳＴ面側に動作電流が集中
する。この結果、ＪＵＳＴ面側は、ＯＦＦ面側に比べて
劣化が早く進み、使用しているうちに先に暗くなってし
まうのである。

【００５０】この発明の各実施形態のＬＥＤによれば、
動作電流は動作領域内で均一に流れ、長時間通電を行っ
ても特性は安定する。よって、従来構成よりも長時間、
信頼性ある発光強度が得られる。

【００５１】

【発明の効果】以上、説明したように、この発明によれ
ば、汚染の極めて少ない電流ブロック層の加工、及び、
取り出される光の損失を最小限にするため透明電極をな
るべく薄く被膜すること、等の高信頼性、高性能を得る
工程を変更することなく、上部電極により電流ブロック
層の段差における透明電極のカバレッジを補償した構成
が得られる。この結果、ＬＥＤ動作時、動作領域一様に
均一な電流が流れ、長時間、所定の発光強度が得られ、
製品寿命の増大につながる半導体発光素子が提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るＬＥＤの構成を
示す平面図。

【図２】図１のＦ２−Ｆ２線に沿う断面図。

【図３】この発明の第２の実施形態に係るＬＥＤの構成
を示す平面図。

【図４】この発明の第３の実施形態に係るＬＥＤの構成
を示す平面図。

【図５】上記第３の実施形態の変形例。

【図６】この発明の第４の実施形態に係るＬＥＤの構成
を示す平面図。

【図７】この発明の構成のＬＥＤの動作信頼性を示す、
使用時間に対する発光強度の持続性の関係のグラフ。

【図８】比較のため従来の構成のＬＥＤの動作信頼性を
示す、図７と同様な関係を表わすグラフ。

【図９】従来のＬＥＤの構成を説明するための平面図。

【図１０】図９のＦ１０−Ｆ１０線に沿う断面図。

【符号の説明】

１０…下部電極 １１…基板 １２…クラッド層 １３…活性層 １４…クラッド層 １５…電流拡散層 １６…コンタクト層 １７…電流ブロック層 １８…透明電極 １９…上部電極

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に設けられた第１クラッド層、活性
   層、第２クラッド層の順序の積層と、 前記積層と反対側の前記基板の裏面側に設けられた下部
   電極と、 前記積層表面上において部分的に設けられた電流ブロッ
   ク層と、 前記電流ブロック層及び前記積層表面上を被覆する透明
   電極と、 前記透明電極表面に接続するものであって、前記電流ブ
   ロック層上方に形成され、かつ前記電流ブロック層の側
   部による段差を介して前記透明電極表面の所定領域に延
   在する形態を有する上部電極とを具備することを特徴と
   する半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記所定領域は、少なくとも前記電流ブ
   ロック層の側部が逆メサ形状になっている段差を介した
   近傍の前記透明電極表面であることを特徴とする請求項
   １記載の半導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記電流ブロック層の側部は順メサ形状
   または逆メサ形状を有する部分を含むことを特徴とする
   請求項１記載の半導体発光素子。
4. 【請求項４】 前記上部電極は、前記電流ブロック層の
   側部による段差を全部覆うように形成されていることを
   特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記上部電極は、前記電流ブロック層の
   側部による段差を部分的に覆うように形成されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
6. 【請求項６】 半導体基板と、 前記基板のエピ膜で構成されるＮ型半導体層とＰ型半導
   体層のＰＮ接合部と、 前記ＰＮ接合部上方の光取り出し面側に設けられた上部
   電極と、 前記光取り出し面とは反対側の裏面側に位置する下部電
   極と、 前記上部電極の下方の前記光取り出し面上で部分的に設
   けられ側部による段差を有する電流ブロック層と、 前記光取り出し面及び前記段差を被覆し前記上部電極と
   電気的に接続するための導電物質とを具備し、 少なくとも前記基板の単位面指数の面方位を示さない前
   記基板側面側に向いた前記電流ブロック層の側部の近傍
   の導電物質上に前記上部電極が延在していることを特徴
   とする半導体発光素子。
7. 【請求項７】 前記上部電極は、前記電流ブロック層の
   側部の周囲の導電物質上に延在していることを特徴とす
   る請求項８記載の半導体発光素子。
8. 【請求項８】 前記導電物質は透光性であり、被覆厚さ
   は５０〜３００ｎｍであることを特徴とする請求項８記
   載の半導体発光素子。