JP2002009338A

JP2002009338A - 窒化物半導体素子

Info

Publication number: JP2002009338A
Application number: JP2000186583A
Authority: JP
Inventors: Tatsunori Toyoda; 達憲豊田; Takeshi Kususe; 健楠瀬; Takashi Ichihara; 隆志市原; Hirobumi Shono; 博文庄野; Shuji Shioji; 修司塩路
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2002-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】同一面上に両電極が形成される窒化物半導体
素子において、十分に高い信頼性を有し且つ発光特性に
優れた窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】基板上に設けられたｎ型窒化物半導体層
と、該ｎ型窒化物半導体層上に互いに分離して設けられ
た負電極とｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導
体層上のほぼ全面に設けられた透光性の第１正電極と、
前記第１正電極上に設けられたボンディング用の第２正
電極とを有し、前記負電極上及び前記第２正電極上の各
ボンディング部分を開口部として、少なくとも素子の上
面に連続した第１絶縁膜を有する窒化物半導体素子であ
って、前記各ボンディング部分及び発光面上を開口部と
して、少なくとも素子の側面に連続した第２絶縁膜を有
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、発光ダイオード
（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、太陽電池、
光センサー等の発光素子、あるいはトランジスタ、パワ
ーデバイス等の電子デバイスに使用される窒化物半導体
（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦
１）よりなる窒化物半導体素子に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、窒化物化合物半導体を用いた発光素
子が、青色系の発光が可能な発光素子として注目され、
フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージ
スキャナー光源等の各種光源で実用化されている。

【０００３】これらの窒化物半導体素子は、例えば、サ
ファイア基板上にｎ型窒化物半導体層を成長させ、その
ｎ型窒化物半導体層上に直接又は発光層を介してｐ型窒
化物半導体層を成長させた構造を有する。また、絶縁体
であるサファイア基板を用いて構成される窒化物半導体
素子では、導電性の半導体基板を用いて構成される他の
発光素子とは異なり、正電極及び負電極が同一面側の半
導体層上に形成される。すなわち、正電極はｐ型窒化物
半導体層上に形成され、負電極は、所定の位置で、ｐ型
窒化物半導体層側からエッチングされ露出されたｎ型窒
化物半導体層上に形成される。

【０００４】更に、特開平８−１４８７１７号公報に
は、青色ＬＥＤの発する熱及び光による樹脂の劣化を防
止するために、電極上のボンディング面を除いた素子表
面に主波長より短い波長を吸収する酸化物薄膜を設ける
ことが開示されている。

【発明が解決しようとする課題】

【０００５】しかしながら、発光素子の利用分野の広が
りとともに厳しい条件下で使用されるようになってきた
現在において、上記の窒化物半導体素子は十分ではな
く、更なる改良が求められている。

【０００６】そこで、本発明は、厳しい条件下において
も光学特性に優れ且つ十分高い信頼性を有した発光素子
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】すなわち、本発明に係る窒化物半導体素子
は、基板上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、該ｎ型
窒化物半導体層上に互いに分離して設けられた負電極と
ｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上のほ
ぼ全面に設けられた透光性の第１正電極と、前記第１正
電極上に設けられたボンディング用の第２正電極とを有
し、前記負電極上及び前記第２正電極上の各ボンディン
グ部分を開口部として、少なくとも素子の上面に連続し
た第１絶縁膜を有する窒化物半導体素子であって、前記
各ボンディング部分及び発光面上を開口部として、少な
くとも素子の側面に連続した第２絶縁膜を有することを
特徴とする。

【０００８】このように構成することにより、十分高い
信頼性を有した窒化物半導体素子が得られる。

【０００９】また、主発光波長は５００ｎｍ以下であ
り、且つ前記主波長において前記第２絶縁膜の光透過率
は前記第１絶縁膜の光透過率より小さいことを特徴とす
る。

【００１０】このように構成することにより、前記波長
領域を有する発光素子において素子寿命を向上させるこ
とができ、且つ発光スペクトルの半値幅を狭くすること
ができ良好な指向特性が得られる。

【００１１】また、第２絶縁膜は窒化シリコン膜である
ことを特徴とし、４７０ｎｍの波長において前記第１絶
縁膜の光透過率は９０％以上、前記窒化シリコン膜の光
透過率は６５％以下であることを特徴とする。

【００１２】このように構成することにより、光学特性
に優れ且つ十分高い信頼性を有した窒化物半導体素子と
することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明者は、種々の実験の結果、
素子の側面からの光放出を抑制し且つ発光面から主発光
ピークの光を取り出すことで、更に素子の光学特性及び
信頼性を向上させることができることを見いだし、本発
明を成すに至った。

【００１４】現状の青色発光の窒化物半導体素子は、半
導体層側を発光面とする場合、電極面を開口部として発
光チップの表面に形成する絶縁膜は、その発光チップの
主発光ピークよりも短波長を吸収する材料で形成されて
いる。

【００１５】上記のように構成することにより素子寿命
を向上させ信頼性を高めることができる。

【００１６】しかしながら、上記のような素子を高温高
湿条件下で長時間使用すると、例えば、１００時間経過
すると発光出力が低下し始め、１０００時間後には約１
５％低下してしまう。光は素子のあらゆる方向から放出
され、特に素子の側面からの光放出が著しいと考えられ
る。

【００１７】素子の側面から放出される光の取り出し経
路は比較的複雑なため、側面から放出された主波長の光
の多くは樹脂中に吸収されてしまうと考えられる。この
主波長領域の光が原因で、厳しい条件下で長時間使用す
ると素子側面に隣接する樹脂が劣化され発光ムラや光出
力の低下が生じるものと思われる。

【００１８】そこで本発明は、主波長領域において透光
性の低い絶縁膜を少なくとも素子の側面に設けると共に
発光面上には主波長付近の光透過率が高い絶縁膜を設け
ることで主波長の光を発光面から効率よく取り出すよう
構成し、十分に高い信頼性を有し且つ光学特性に優れた
窒化物半導体素子を提供するものである。

【００１９】以下、図を参照にして本発明に係る実施の
形態について説明する。図１−（ａ）は本発明の一実施
の形態に係るＬＥＤ素子の模式的平面図であり、図１−
（ｂ）は図１−（ａ）のＡ−Ａ’線についての模式的断
面図である。基板１上に、少なくともｎ型窒化物半導体
層２、発光層（図示されていない）、及びｐ型窒化物半
導体層３が順に積層形成されている。ｐ型窒化物半導体
層３のほぼ全面に設けられた透光性の第１正電極４と、
前記第１正電極４の上面の一部に設けられたボンディン
グ用の第２正電極５が形成され、ｐ型窒化物半導体層３
側からエッチング等により露出されたｎ型窒化物半導体
層２上に負電極６が形成されている。各ボンディング部
分を除いて第１絶縁膜７が連続して形成され、前記第１
絶縁膜上の発光面上を除いて第２絶縁膜８が形成されて
いる。以下、本発明の構成について詳述する。

【００２０】（基板１）本発明において基板１は、発光
素子の基板として公知の素材等が用いられ、例えば、サ
ファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイ
ア、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）等のような絶縁性基板を
用いることができる。

【００２１】結晶性の良い窒化物半導体を成長させるた
めにはサファイア基板を用いると好ましい。

【００２２】（ｎ型窒化物半導体層２、ｐ型窒化物半導
体層３）本発明において、ｎ型窒化物半導体層２及びｐ
型窒化物半導体層３は特に限定されず、いずれの層構成
のものを用いてもよい。

【００２３】（正電極４，５）本発明の実施の形態にお
いて、正電極４，５は、ｐ型窒化物半導体素子のほぼ全
面に設けられた透光性の第１正電極４と、前記第１正電
極上の一部に設けられたボンディング用の第２正電極５
とからなる。このように第２正電極を設けると良好にボ
ンディングを行うことができ好ましい。また第１正電極
は、ｐ型窒化物半導体層とオーミック接触可能な電極材
料であれば特に限定されない。

【００２４】例えば、第１正電極としては、Ａｕ、Ｐ
ｔ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ等の１種類以上を用
いることができる。また、実装形態に合わせて、膜厚を
調整することで透光性、不透光性に調整することができ
る。本発明の実施の形態において第１正電極は透光性と
なるように調整されている。

【００２５】第２正電極としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、
Ｓｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ等の１種類以上の金属材料を用
いることができる。第２正電極の膜厚は、２０００オン
グストローム〜５μｍ、好ましくは５０００オングスト
ローム〜１．５μｍに設定される。

【００２６】（負電極６）負電極６は、ｐ型窒化物半導
体層の一部を除去して露出されたｎ型窒化物半導体層上
に形成される。窒化物半導体をエッチングする方法とし
て、共振面となるような平滑な面を形成するには、好ま
しくはドライエッチングを用いるとよい。ドライエッチ
ングには、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＢ
Ｅ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオ
ンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチン
グガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッ
チングして平滑面を形成することができる。例えば、特
開平８−１７８０３号公報に記載の窒化物半導体の具体
的なエッチング手段が挙げられる。

【００２７】負電極は、ｎ型窒化物半導体とオーミック
接触が可能な電極材料であれば特に限定されない。例え
ば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗ、Ｖ等の金属材料の１
種類以上を用いることができるが、Ｔｉ、Ｗ、Ｖをそれ
ぞれベースとするＴｉ／Ａｌ、Ｗ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、Ｗ
／Ａｌ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ａｌ等の多層構造とする
ことが好ましい。ｎ型窒化物半導体層とオーミック接触
が可能な電極材料を用いることによりＶ_fを低減するこ
とができる。負電極７の膜厚は、２０００オングストロ
ーム〜５μｍ、好ましくは５０００オングストローム〜
１．５μｍに設定される。

【００２８】（第１絶縁膜７）本発明において第１絶縁
膜７は、正電極及び負電極のボンディング部分を開口部
として、少なくとも半導体層の上面を覆うように設けら
れていれば良く、本実施の形態においては、各ボンディ
ング部分を開口部として半導体層の上面及び側面に連続
して設けられている。このように第１絶縁膜を設けるこ
とで、正負の電極間の短絡を防止することができる。ま
た、半導体層の上面に設けられた第１絶縁膜上に第２絶
縁膜を積層し、後に発光面となる部分の第２絶縁膜をエ
ッチングする場合、下層の第１絶縁膜は保護膜となり発
光面である第１正電極に傷がつくのを防止することがで
きる。また第１絶縁膜は、第２正電極及び負電極の上面
に少しかかるように設けられることが好ましく、このよ
うにすることで各電極と下地層とのはがれを抑制するこ
とができる。

【００２９】本発明において発光チップの表面に形成す
る第１絶縁膜は、主波長において透過率が良好で、且つ
第１正電極、第２正電極、及び負電極との接着性が良好
であれば特に限定されない。また、短波長領域の光をカ
ットする材料を用いると好ましい。例えば、ケイ酸アル
カリガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス、バリウムガ
ラス等のガラス組成物、またはＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｇｅ
Ｏ₂、及びＴａ₂Ｏ₅等の酸化物が好ましく形成される。
また、膜厚は特に限定されるものではないが、主波長に
おける透過率が９０％以上に調整されることが好まし
い。

【００３０】（第２絶縁膜８）本発明において第２絶縁
膜８は、少なくとも素子の側面に設けられていれば良
く、本発明の実施の形態において第２絶縁膜は、各ボン
ディング部分を開口部として半導体層の上面及び側面に
連続して設けられた第１絶縁膜上に、第１正電極上を開
口部として連続して設けられている。このように構成す
ることにより、素子の側面からの光放出を抑制して発光
面である第１正電極の上面から光を取り出すことができ
る。また、前記第１正電極上には第１絶縁膜が設けられ
ていることから、放出される光の発光スペクトルの半値
幅を狭くすることができ色純度を向上させることができ
る。

【００３１】また、主波長における第２絶縁膜の透過率
は６５％以下、好ましくは３０％以下に調整することが
好ましい。透過率が６５％よりも大きいとＬＥＤの発光
出力の低下が少ないという利点はあるが、素子側面から
放出される光を十分に抑制することができず、モールド
樹脂が劣化されやすくなる。また、膜厚は特に限定され
ないが、前記透過率が維持できる厚さに調整することが
好ましい。材料としては、窒化シリコンが好ましく、例
えばＳｉＮ_Xはシラン（ＳｉＮ₄）とアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）とからプラズマＣＶＤ法により形成される。シラ
ンの割合を大きくすると屈折率ｎは大きくなり、発光素
子の側面から放出される光を反射させることができ好ま
しい。第２絶縁膜に窒化シリコン膜を用いる場合、屈折
率ｎはｎ＞１．９７が好ましく、より好ましくはｎ＞
２．０である。好ましい膜厚は０．３μｍ〜５．０μｍ
であり、より好ましくは０．５μｍ〜２．０μｍであ
る。

【００３２】また、本発明は主波長が５００ｎｍ以下の
高輝度発光素子に適用することが好ましい。５００ｎｍ
よりも長波長側に発光ピークがある発光素子では短波長
の強度は小さいのでモールド樹脂を劣化させることはほ
とんどない。特に本発明は、主波長が４４０ｎｍ〜５０
０ｎｍの発光素子において効果的である。

【００３３】

【実施例】以下、本発明に係る実施例の窒化物半導体素
子について説明する。なお、本発明は以下に示す実施例
のみに限定されるものではない。

【００３４】［実施例１］サファイア（Ｃ面）よりなる
絶縁性基板１上に各半導体層２，３及び青色（４７０ｎ
ｍ）が発光可能な発光層（図示していない）をＭＯＶＰ
Ｅ法により形成する。アニーリング後、ウェーハを反応
容器から取り出し、最上層のｐ型窒化物半導体層３の表
面に所定のＳｉＯ₂からなる絶縁膜を成膜した後、前記
絶縁膜表面上に所定の形状のレジスト膜を形成し、ＲＩ
Ｅ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型窒化物半導体
層３側からエッチングを行い、負電極６が形成されるｎ
型窒化物半導体層２の表面を露出させる。

【００３５】次に、前記絶縁膜を酸により剥離した後、
最上層にあるｐ型窒化物半導体層３上のほぼ全面に、リ
フトオフ法によりＮｉ／Ａｕからなる第１正電極４を、
４７０ｎｍの波長の光透過率が４０％で且つ表面抵抗率
が２Ω／□となるように、膜厚２００オングストローム
で形成する。

【００３６】次に、前記第１正電極４上に、リフトオフ
法によりＡｕからなる第２正電極５を膜厚０．７μｍで
形成する。

【００３７】一方、エッチングにより露出されたｎ型窒
化物半導体層２の表面には、同じくリフトオフ法により
Ｗ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕからなる負電極６を膜厚０．８μｍ
で形成し、ＬＥＤ素子とする。

【００３８】次に、パターニングにより、各電極のボン
ディング部分のみを露出させ素子全体を覆うようにＳｉ
Ｏ₂よりなる第１絶縁膜７を４７０ｎｍの波長において
光透過率が９０％となるように膜厚０．２μｍで形成す
る。

【００３９】次に、同じくパターニングにより、第１絶
縁膜７上にＳｉＮ₄からなる第２絶縁膜８を４７０ｎｍ
の波長において光透過率が６５％となるように屈折率ｎ
＝２．０８且つ膜厚１．５μｍで形成し、エッチングに
より発光面上を覆う第２絶縁膜８の一部を除去する。

【００４０】以上のようにして形成された窒化物半導体
素子の２００個を、６０℃、９０％ＲＨの高温高湿条件
下で１０００時間連続で使用すると、出力は５％しか低
下しない。またショートを起こす発光素子は０／２００
個である。このことから、本発明は厳しい環境条件下で
の長時間の使用においても高い発光出力を保ち且つ信頼
性の高い窒化物半導体素子だといえる。

【００４１】［比較例１］これに対して、実施例１と比
較するために、第２絶縁膜を設けない以外は実施例１と
同様にして発光素子を形成し、実施例１と同様の条件下
で同時間使用すると、発光出力は１５％低下する。これ
ら出力が低下する発光素子の側面に隣接しているモール
ド樹脂は応変している。これは第１絶縁膜を透過し側面
から放出される青色光が隣接する樹脂を劣化させるため
である。

【００４２】［実施例２］第２絶縁膜を第１絶縁膜上の
素子側面のみに形成する以外は実施例１と同様にして発
光素子を形成すると、実施例１と同様に良好な効果が得
られる。

【００４３】［実施例３］第１絶縁膜を各電極のボンデ
ィング部分を開口部として素子の上面のみに形成し、第
２絶縁膜を第１絶縁膜上及び素子側面に形成した後、発
光面上の第２絶縁膜をエッチングにより除去する以外は
実施例１と同様にして発光素子を形成すると、実施例１
と同様に良好な効果が得られる。

【００４４】［実施例４］第２絶縁膜を素子の側面のみ
に形成する以外は実施例３と同様にして発光素子を形成
すると、実施例１と同様に良好な効果が得られる。

【００４５】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、正負の各
電極のボンディング部分を開口部として少なくとも素子
の上面に連続した第１絶縁膜を設け、且つ、前記ボンデ
ィング部分及び発光面上を開口部として少なくとも素子
の側面に連続した第２絶縁膜を設けることにより、素子
寿命を向上させ信頼性の高い窒化物半導体素子を実現す
ることができる。特に、主波長が５００ｎｍ以下の発光
層を有する窒化物半導体素子とすると本発明の効果が著
しく見られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例に係る窒化物半導
体素子の模式的平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ’線における模式的断面図である。

【図２】本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子
の模式的平面図である。

【図３】（ａ）は本発明の一比較例に係る従来の窒化
物半導体素子の模式的平面図であり、（ｂ）は（ａ）の
Ａ−Ａ’線における模式的断面図である。

【符号の説明】

１・・・基板２・・・ｎ型窒化物半導体層３・・・ｐ型窒化物半導体層４・・・第１正電極５・・・第２正電極６・・・負電極７・・・第１絶縁膜８・・・第２絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者庄野博文徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜化学工業株式会社内 (72)発明者塩路修司徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜化学工業株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA43 AA44 CA12 CA40 CA85 CA88 CA91 CA92 CB36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けられたｎ型窒化物半導体層
と、該ｎ型窒化物半導体層上に互いに分離して設けられ
た負電極とｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導
体層上のほぼ全面に設けられた透光性の第１正電極と、
前記第１正電極上に設けられたボンディング用の第２正
電極とを有し、前記負電極上及び前記第２正電極上の各
ボンディング部分を開口部として、少なくとも素子の上
面に連続した第１絶縁膜を有する窒化物半導体素子であ
って、前記各ボンディング部分及び発光面上を開口部と
して、少なくとも素子の側面に連続した第２絶縁膜を有
する窒化物半導体素子。
【請求項２】主発光波長は５００ｎｍ以下である請求
項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】前記主発光波長において、前記第２絶縁
膜の光透過率は前記第１絶縁膜の光透過率より小さいこ
とを特徴する請求項２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】前記第２絶縁膜は窒化シリコン膜である
請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】４７０ｎｍの波長において前記第１絶縁
膜の光透過率は９０％以上、前記窒化シリコン膜の光透
過率は６５％以下である請求項４に記載の窒化物半導体
素子。