JP2005123501A

JP2005123501A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2005123501A
Application number: JP2003358993A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Senda; 昌伸千田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP4259268B2

Abstract

【課題】ＧａＮ系半導体発光素子の電極に透光性電極を用いる場合、透光性電極の抵抗値とＧａＮ系半導体層との密着性を改善し、光度を向上し、透光性電極とＧａＮ系半導体層との接触抵抗に対する発光素子の駆動電圧を抑制し、透光性電極の吸光度を低減して出射効率を向上するＧａＮ系半導体発光素子を提供する。
【構成】ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６の表面にＩＴＯよりなる透光性電極１０７を形成し、エッチングにより透光性電極１０７に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６まで達する複数の貫通孔１１０を形成し、更に、透光性電極１０７の外周をエッチングしてｐ型ＧａＮコンタクト層１０６を露出し、露出したｐ型ＧａＮコンタクト層１０６の上に高反射率を有する接着性金属層であるロジウム（Ｒｈ）層１０８を形成し、ロジウム（Ｒｈ）層１０８と透光性電極１０７上にパッド電極１０９を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明はＧａＮ系半導体発光素子に関し、特に、透光性電極とＧａＮ系半導体層との密着性を改善しながら発光強度を向上したＧａＮ系半導体発光素子に関する。

従来のＧａＮ系半導体発光素子として、例えば、特許文献１に記載されているものがある。

特許文献１に記載されているＧａＮ系半導体発光素子は、基板上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層、ｐ型ＧａＮ系半導体層、ｐ型ＧａＮ系半導体層に接合する正電極、及び正電極に接合するボンディングパッドが順次設けられており、正電極が光透過性の高抵抗部（Ｎｉ／Ａｕ）と正電極からの光の取り出しを妨害しないように線状に形成された低抵抗部（Ｎｉ／Ａｕ／Ａｌ）とから構成されている。

この構成によれば、正電極においてボンディングパッドから離れた点まで、十分に電流を供給できるようになり、正電極に相当する発光領域の均一発光に寄与すると記載している。
特開平１０−２５６６０２号公報（図７）

しかし、従来のＧａＮ系半導体発光素子によれば、正電極とＧａＮ系半導体層間にショットキー障壁が形成されるため、正電極とＧａＮ系半導体層との界面抵抗が高くなり、光度が低下し、正電極とＧａＮ系半導体層との接触抵抗を小さくすることに限界があるため、発光素子の駆動電圧が上昇し、その結果、耐久性が低下するという問題がある。更に、正電極の光透過性の高抵抗部が出射光をある程度吸収するため、出射効率の向上に限界がある。

従って、本発明の目的は、ＧａＮ系半導体発光素子の電極に透光性電極を用いる場合、透光性電極とＧａＮ系半導体層との密着性を改善することにより光度を向上し、透光性電極とＧａＮ系半導体層との接触抵抗を小さくすることにより発光素子の駆動電圧を抑制し、透光性電極の吸光度を低減して出射効率を向上するＧａＮ系半導体発光素子を提供することにある。

本発明によると、ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層を備えたＧａＮ系半導体発光素子において、
前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に形成された透光性電極を備え、
前記透光性電極は、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に達する光出射用の複数の貫通孔を有することを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子を提供する。

前記ＧａＮ系半導体発光素子において、前記透光性電極は、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に部分的に配置された接着性金属層を介して前記ｐ型ＧａＮ系半導体層と密着した構成を有することが好ましい。

さらに、前記ＧａＮ系半導体発光素子において、前記透光性電極は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、或いはＡＺＯによって形成されることが好ましい。

また、前記ＧａＮ系半導体発光素子において、前記接着性金属層は、前記透光性電極上に形成されるパッド電極の直下、及び前記透光性電極の周辺部に形成されることが好ましい。

また、前記ＧａＮ系半導体発光素子において、前記接着性金属層はロジウムによって形成されることが好ましい。

本発明のＧａＮ系半導体発光素子によると、透光性電極は、ｐ型ＧａＮ系半導体層に達する光出射用の複数の貫通孔を有するため、内部発光が貫通孔を介して直接外部へ出射することにより透光性電極の吸光量を低減して出射効率を向上し、発光素子の発光強度を高めることができる。

本発明によると、透光性電極は、ｐ型ＧａＮ系半導体層上に部分的に配置された接着性金属層を介してｐ型ＧａＮ系半導体層と密着した構成を有するため、耐久性を向上し、透光性電極とＧａＮ系半導体層との密着性の劣化に関わる特性を改善することができる。

さらに、本発明によると、透光性電極は、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（ＩｎＺｎＯ）、或いはＡＺＯ（ＡｌＺｎＯ）によって形成されるため、透光性電極の抵抗値を大幅に低減し、光度を向上し、透光性電極とＧａＮ系半導体層との接触抵抗を小さくして発光素子の駆動電圧を抑制することができる。

さらに、本発明によると、接着性金属層は、ロジウムによって形成されるため、ボンディング時のダメージを最小限に抑え、耐久性を向上し、透光性電極とＧａＮ系半導体層との密着性の劣化に関わる特性を大幅に改善することができる。ロジウムは、ＧａＮ系半導体に対する付着力が強く、かつ、光反射率が高いので、パッド電極及び透光性電極の密着度を高め、かつ、吸光量を減少して出射効率を高める。

図１は、本発明のＧａＮ系半導体発光素子（ＬＥＤ素子１）の第１の実施の形態を示す。このＬＥＤ素子１は、サファイア基板１０１上に低温成長のＡｌＮバッファ層１０２を形成し、その上にＳｉドープのｎ型ＧａＮ：クラッド層（コンタクト層）１０３を形成する。次に、ｎ型ＧａＮ：クラッド層１０３の上に３層のＩｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１０４Ａと２層のＧａＮ障壁層１０４Ｂを交互に配置したＭＱＷ１０４を形成する。更に、その上にマグネシウム（Ｍｇ）ドープのｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎクラッド層１０５を形成し、その上にＭｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層１０６を形成する。次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６、ｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎクラッド層１０５、ＭＱＷ１０４、及びｎ型ＧａＮクラッド層１０３の一部をエッチングしてｎ型ＧａＮクラッド層１０３を露出する。次に、ｐ型コンタクト層１０６のパッド電極を設ける位置、及び透光性電極の外周部に相当する位置にロジウム（Ｒｈ）層１０８を形成する。次に、ｐ型コンタクト層１０６の表面のロジウム（Ｒｈ）層１０８に一部が重なるように、例えば低抵抗性ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）よりなる透光性電極１０７を形成する。次に、エッチングにより透光性電極１０７に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６まで達する複数の貫通孔１１０を形成する。次に、ロジウム（Ｒｈ）層１０８と透光性電極１０７上にパッド電極１０９を形成し、露出したｎ型ＧａＮ：クラッド層１０３の上にｎ型電極１１１を形成する。

以上の構成において、パッド電極１０９及びｎ型電極１１１にボンディングされた図示しないボンディングワイヤを介して順方向の電圧を印加すると、Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１０４Ａにおいてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光し、出力光が透光性電極１０７を介して外部へ放射される。

ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６に達する複数の貫通孔が形成されたＩＴＯ透光性電極１０７は、透光性電極の吸光度と抵抗値を大幅に低減し、出射効率と光度を向上し、透光性電極１０７とｐ型ＧａＮコンタクト層１０６との接触抵抗を小さくして駆動電圧を抑制することができる。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６内部に達する複数の貫通孔をプラズマエッチングで形成すると出射効率と光度がより向上する。また、パッド電極１０９の直下と透光性電極１０７の外周に形成されたロジウム層１０８は、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６との密着性に非常に優れた材料であるので、ボンディング時のダメージを最小限に抑え、耐久性を向上し、透光性電極の密着性の劣化に関わる特性を大幅に改善することができる。また、ロジウム（Ｒｈ）層１０８に達する光は反射されるため、素子の内部で再反射を繰り返すことにより透光性電極１０７から外部へ出射する。また、サファイア基板裏面に反射膜を設けても良く、あるいは半導体基板を用い、エピ側から光を取り出すようにしても良い。

以下に、図１のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明する。

サファイア基板１０１を有機洗浄の後、サファイア基板１０１をＭＯＣＶＤ装置内の成長炉のサセプタ上に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給して１２００℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１０１上の表面に付着していた炭化水素ガスがある程度取り除かれる。

次に、サファイア基板１０１の温度を４００℃程度まで降温し、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）及びＮＨ₃（アンモニア）を供給してサファイア基板１０１上に５０ｎｍ程度の膜厚の低温ＡｌＮバッファ層１０２を形成する。

次に、ＴＭＡの供給を止め、基板温度を１０００℃まで上げ、ＮＨ₃、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＳｉＨ₄（シラン）を供給してキャリア濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³のｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層（コンタクト層）１０３を形成する。なお、コロン記号：の後のＳｉ或いはＭｇは、Ｓｉドープ或いはＭｇドープを意味する。

次に、サファイア基板１０１の温度を７３０℃まで降温し、ＮＨ₃、ＴＭＧ、及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）を供給して膜厚３０ÅのＩｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１０４Ａを形成する。

次に、サファイア基板１０１の温度８８０℃まで上げ、ＮＨ₃及びＴＭＧを供給して１７０Åの膜厚のＧａＮ障壁層１０４Ｂを形成する。

次に、上記したＩｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１０４Ａ及びＧａＮ障壁層１０４Ｂの成長条件に基づいて２層のＩｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１０４Ａ及びＧａＮ障壁層１０４Ｂを形成して合計３層のＩｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１０４Ａと合計２層のＧａＮ障壁層１０４Ｂより成るＭＱＷ１０４を形成する。

次に、サファイア基板１０１の温度を１０００℃まで上げ、ＴＭＡ，ＴＭＧ、ＮＨ₃、及びＣｐ₂Ｍｇ（ビスシクロペンタディエニルマグネシウム）を供給して２００Åの膜厚のマグネシウムドープのｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎクラッド層１０５を形成する。

次に、サファイア基板１０１の温度を１０００℃に維持したまま、ＮＨ₃、ＴＭＧ、及びＣｐ₂Ｍｇを供給してマグネシウムドープのｐ型ＧａＮコンタクト層１０６を形成する。

次に、所定のエッチャントを使用してｐ型ＧａＮコンタクト層１０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５、ＭＱＷ１０４、及びｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層１０３の一部を除去してｎ型ＧａＮ：クラッド層１０３を露出させる。

次に、ｐ型コンタクト層１０６のパッド電極を設ける位置、及び透光性電極の外周部に相当する位置にロジウム（Ｒｈ）層１０８を形成する。

次に、ｐ型コンタクト層１０６の表面のロジウム（Ｒｈ）層１０８に一部が重なるように、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）膜を蒸着して透光性電極１０７を形成する。

次に、プラズマエッチング又はウェットエッチングにより透光性電極１０７に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６まで達する複数の貫通孔１１０を形成する。

次に、ロジウム（Ｒｈ）層１０８と透光性電極１０７上にパッド電極１０９を形成し、露出したｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層１０３の上にｎ型電極１１１を形成する。

以上の成長プロセスを経て製造されたＧａＮ系半導体発光素子は、透光性電極１０７が低抵抗性ＩＴＯで形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６に達する複数の貫通孔を有するため、透光性電極１０７の抵抗値と吸光度が大幅に低減する。その結果、出射効率と光度が増大し、透光性電極１０７とｐ型ＧａＮコンタクト層１０６との接触抵抗を小さくして駆動電圧の抑制が図れる。さらに、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６との密着性に非常に優れたロジウム層１０８がパッド電極１０９の直下と透光性電極１０７の外周に形成されるため、ボンディング時のダメージがなくなり、耐久性が向上し、透光性電極１０７の密着性の劣化に関わる特性の大幅な改善が図れる。

図２は、本発明の要部の拡大図である。図２に示すように、ロジウム（Ｒｈ）層１０８は透光性電極１０７上に形成されるパッド電極の直下、及び透光性電極１０７の周辺部に設けられている。ここで、図１と同一の部分は、同一の引用数字で示されているので説明は省略する。図２から明らかなように、ロジウム（Ｒｈ）層１０８は透光性電極１０７とｐ型ＧａＮコンタクト層１０６の接着剤層として作用することにより両者の密着度を向上させ、かつ、ロジウム（Ｒｈ）層１０８に到来する光の反射層として作用する。

図３は、図１のＧａＮ系半導体発光素子が取り得る平面構造の一例を示す。図３は、ロジウム（Ｒｈ）層１０８が透光性電極１０７の点線で示す周辺部に設けられていることを示す。ここでは、パッド電極１０９とｎ型電極１１１は対辺上に配列されている。尚、図１と同一の部分は、同一の引用数字で示されているので説明は省略する。

図４は、図１のＧａＮ系半導体発光素子が取り得る平面構造の一例を示す。図４では、貫通孔１１０は省略されている。この構造では、２つのパッド電極１０９がパッド電極１０９とｎ型電極１１１が三角形状の頂点に位置するように配置されており、ロジウム（Ｒｈ）層１０８は透光性電極１０７上に形成される２つのパッド電極の直下、及び透光性電極１０７の点線で示す周辺部に設けられている。ここで、図１と同一の部分は、同一の引用数字で示されているので説明は省略する。

図５は、本発明のＧａＮ系半導体発光素子（ＬＥＤ素子１）の他の実施の形態を示す。ここで、図５に示すＬＥＤ素子１は、透光性電極１０７の外周にロジウム層を設けないことを除いて図１に示すＬＥＤ素子１と同一の構成を有しており、図１と同一の部分は、同一の引用数字で示されているので説明は省略する。

図１に示すＬＥＤ素子の動作と同様に、パッド電極１０９及びｎ型電極１１１にボンディングされた図示しないボンディングワイヤを介して順方向の電圧を印加すると、Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.85Ｎ井戸層１０４Ａにおいてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光し、出力光が透光性電極１０７を介して外部へ放射される。

図５の構造によれば、透光性電極１０７が低抵抗性ＩＴＯで形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６に達する複数の貫通孔を有するため、透光性電極１０７の抵抗値と吸光度が大幅に低減する。その結果、出射効率と光度が増大し、透光性電極１０７とｐ型ＧａＮコンタクト層１０６との接触抵抗に対する駆動電圧の抑制が図れる。

なお、上述した実施の形態では、透光性電極としてＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）を使用したが、これに限定されるものではなく、ＩＺＯ（ＩｎＺｎＯ）又はＡＺＯ（ＡｌＺｎＯ）を使用してもよい。

本発明の第１の実施の形態におけるＧａＮ系半導体発光素子の模式図である。本発明の要部の拡大図である。図１のＧａＮ系半導体発光素子が取り得る平面構造の一例を示す。図１のＧａＮ系半導体発光素子が取り得る平面構造の一例を示す。本発明の他の実施の形態におけるＧａＮ系半導体発光素子の模式図である。

符号の説明

１０１：サファイア基板
１０２：ＡｌＮバッファ層
１０３：シリコンドープのｎ型ＧａＮクラッド層（コンタクト層）
１０４Ａ：ＩｎＧａＮ井戸層
１０４Ｂ：ＧａＮ障壁層
１０４：ＭＱＷ
１０５：マグネシウムドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０６：マグネシウムドープのｐ型ＧａＮコンタクト層
１０７：透光性電極
１０８：Ｒｈ層
１０９：パッド電極
１１０：貫通孔
１１１：ｎ型電極

Claims

ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層を備えたＧａＮ系半導体発光素子において、
前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に形成された透光性電極を備え、
前記透光性電極は、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層に達する光出射用の複数の貫通孔を有することを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
前記透光性電極は、前記ｐ型ＧａＮ系半導体層上に部分的に配置された接着性金属層を介して前記ｐ型ＧａＮ系半導体層と密着した構成を有することを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
前記透光性電極は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、或いはＡＺＯによって形成されることを特徴とする請求項２記載のＧａＮ系半導体発光素子。
前記接着性金属層は、前記透光性電極上に形成されるパッド電極の直下、及び前記透光性電極の周辺部に形成されることを特徴とする請求項２記載のＧａＮ系半導体発光素子。
前記接着性金属層は、ロジウムによって形成されることを特徴とする請求項４記載のＧａＮ系半導体発光素子。