JP2005183757A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】発光体層から出射した光を有効に反射させることで、主光取り出し面から出射した光の輝度を向上させることが可能な半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体発光素子1は、基板2にn型半導体層3が積層され、n型半導体層3にボンディング用のn側電極5と発光体層4とが積層され、発光体層4にp型半導体層6が積層され、p型半導体層6に光反射性を有するp側光反射電極7が積層され、p型半導体層6および発光体層4の周囲を覆うように光反射性を有する光反射層9が積層され、p側光反射電極7にボンディング用のp側電極10が積層されたことにより、発光体層4の側方から出射した光を光反射層9が反射して主光取り出し面から出射させることができるので、輝度の高い半導体発光素子とすることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、基板に半導体層および発光体層を積層したフリップチップ型の半導体発光素子およびその製造方法に関する。
従来の半導体発光素子は、例えば図9に示されるように、光透過性で絶縁性のサファイア等で形成された基板100に、n型半導体層101、発光体層102、p型半導体層103を順に積層したものである。発光体層102およびp型半導体層103の一部はエッチングしてn型半導体層101を露出させ、露出させたn型半導体層101に、ボンディング用のn側電極104を形成する。そして、p型半導体層103に、p側光反射電極105を形成し、p側光反射電極105にボンディング用のp側電極106が形成されている。
このように形成した従来の半導体発光素子は、p側光反射電極105として、反射率の高いAgが用いられている。p側光反射電極105は、発光体層102からの光を反射する役目をする。つまり、発光体層102からの光は、n型半導体層101を透過し、基板100を透過して出射した光と、p側光反射電極105で反射して基板100方向へ出射した光とが合わさって、主光取り出し面107から出射する。
このようにして、発光体層102から出射した光をp側光反射電極105で反射させることで、輝度の向上を図っている。
また、特許文献1に記載の半導体発光素子は、図10に示すように、基板21にn型半導体層20を形成し、n型半導体層20とコンタクトを取るn側電極22のために、n型半導体層20の露出部分を最小限確保し、p側電極23とn型半導体層20のコンタクト面24との間に、絶縁膜25を成膜し、p側電極23の表面にかけて形成している。このように構成することで、n側電極22をn型半導体層20のコンタクト面24に対して適正な接合面を最小確保できるとともに、発光層を広く形成することができ、発光層の側方から出射した光をn側電極22にて反射することができるので、輝度の向上が図れる。
特開2000−114595号公報(段落番号0025−0033,図1)
従来の半導体発光素子は、発光体層102から出射した光を主光取り出し面107から出射させるために、p側光反射電極105が形成されている。このp側光反射電極105を発光体層102に対しできるだけ広く形成することで、発光体層102から出射した光を効率よく反射させることができる。しかし、p側光反射電極105を発光体層102より広く形成し過ぎると、n側電極104と接触して点灯不良となって歩留まりが低下してしまう。
p側光反射電極105にAgを使用した場合では、Agのマイグレーションによりn側電極104と接触する可能性がある。そこで、従来、p側光反射電極105をp型半導体層103より少し狭い領域となるように形成し、p側電極106によりp側光反射電極105を覆うように形成することで、p側光反射電極105とn側電極104との接触を防止している。
従って、p側光反射電極105は、発光体層102より少し小さく形成する必要があるので、発光体層102から出射した光が、p側光反射電極105の周囲から漏れ、輝度の向上を阻害する要因となっている。
特許文献1に記載の半導体発光素子は、発光層の側方から出射した光をn側電極22にて反射させて、基板21の主光取り出し面から出射させて、輝度の向上を図っているが、発光層の側方から出射した光を反射できるのは、n側電極22が形成されている部分のみなので、やはり光漏れが発生する。
従って、発光層から出射した光を有効に回収できているとはいえない。
そこで本発明は、発光体層から出射した光を有効に反射させることで、主光取り出し面から出射した光の輝度を向上させることが可能な半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体発光素子は、基板にn型半導体層が積層され、n型半導体層にボンディング用のn側電極と発光体層とが積層され、発光体層にp型半導体層が積層され、p型半導体層に光反射性を有するp側光反射電極が積層され、p側光反射電極にボンディング用のp側電極が積層された半導体発光素子において、p型半導体層および発光体層の周囲を覆うように光反射性を有する光反射層が積層されたことを特徴とする。
本発明の半導体発光素子によれば、発光体層の側方から出射した光を光反射層が反射して、主光取り出し面から出射させることで、輝度の高い半導体発光素子とすることができる。
また、p側電極およびn側電極の間と、光反射電極の前記発光体層側であってp型半導体層および発光体層を囲う周囲とに、絶縁性を有し光透過性を有する保護層が形成されたことにより、p側電極とn側電極を保護層で分離することができるので、製造時に短絡して点灯不良などの発生を抑止することができる。よって、歩留まりのよい半導体発光素子とすることができる。
また、光反射層は、p側光反射電極と略等しい材質で形成することで、p側光反射電極と光反射層を同じ工程で形成することができ、効率よく製造することが可能な半導体発光素子とすることができる。
また、基板にn型半導体層が形成され、n型半導体層にボンディング用のn側電極と発光体層とが形成され、発光体層にp型半導体層が形成され、n側電極をボンディング可能に露出させ、かつp型半導体層を導通可能に露出させるように、絶縁性を有し光透過性を有する保護層が積層され、p型半導体層に光反射性を有するp側光反射電極が積層され、p側光反射電極にボンディング用のp側電極が形成された半導体発光素子であって、p側光反射電極は、発光体層より略等しいか、または広く形成されたことにより、発光体層の側方から出射した光をp型半導体層より略等しいか、または広く形成されたp側光反射電極が反射して、主光取り出し面から出射させることで、輝度の高い半導体発光素子とすることができる。
上記課題を解決するためになされた第1の発明は、基板にn型半導体層が積層され、前記n型半導体層にボンディング用のn側電極と発光体層とが積層され、前記発光体層にp型半導体層が積層され、前記p型半導体層に光反射性を有するp側光反射電極が積層され、前記p側光反射電極にボンディング用のp側電極が積層された半導体発光素子において、前記p型半導体層および発光体層の周囲を覆うように光反射性を有する光反射層が積層されたことを特徴としたものであり、p型半導体層および発光体層の周囲を囲うように光反射性を有する光反射層が形成されたことにより、発光体層の側方から出射した光を光反射層が反射して、主光取り出し面から出射させることができる。
上記課題を解決するためになされた第2の発明は、前記p側電極および前記n側電極の間と、前記光反射電極の前記発光体層側であって前記p型半導体層および前記発光体層を囲う周囲とに、絶縁性を有し光透過性を有する保護層が形成されたことを特徴としたものであり、p側電極とn側電極を保護層で分離することができ、p側電極とn側電極の短絡が防止できる。
上記課題を解決するためになされた第3の発明は、前記光反射層は、前記p側光反射電極と略等しい材質で形成されたことを特徴としたものであり、p側光反射電極と光反射層を同じ工程で形成することができる。
上記課題を解決するためになされた第4の発明は、基板にn型半導体層が積層され、前記n型半導体層にボンディング用のn側電極と発光体層とが積層され、前記発光体層に前記p型半導体層が積層され、前記n側電極をボンディング可能に露出させ、かつ前記p型半導体層を導通可能に露出させるように、絶縁性を有し光透過性を有する保護層が積層され、前記p型半導体層に光反射性を有するp側光反射電極が積層され、前記p側光反射電極にボンディング用のp側電極が積層された半導体発光素子であって、前記p側光反射電極は、前記発光体層より略等しいか、または広く形成されたことを特徴としたものであり、発光体層の側方から出射した光を、p型半導体層より略等しいかまたは広く形成されたp側光反射電極が反射して、主光取り出し面から出射させることができる。
上記課題を解決するためになされた第5の発明は、基板にn型半導体層を積層し、前記n型半導体層に発光体層を積層し、前記発光体層にp型半導体層を積層し、前記発光体層およびp型半導体層をエッチングによりn型半導体層を露出させ、前記露出した前記n型半導体層にボンディング用のn側電極を積層し、前記n側電極と前記p型半導体層とを覆うように絶縁性を有する保護層を積層し、前記保護層をエッチングにより前記n側電極をボンディング可能に露出させ、かつ前記p型半導体層を接続可能に前記p型半導体層の周囲を残して露出させ、前記保護層から露出した前記p型半導体層の領域に光反射性を有するp側光反射電極を積層し、前記保護層に前記p型半導体層および前記発光体層の周囲を囲うように光反射性を有する光反射層を積層し、前記p側光反射電極および前記光反射層上にボンディング用のp側電極を積層することを特徴としたものであり、p側光反射電極および発光体層の周囲を囲うように光反射性を有する光反射層が形成されたことにより、発光体層の側方から出射した光を光反射層が反射して、主光取り出し面から出射させることが可能な半導体発光素子を製造することができる。
上記課題を解決するためになされた第6の発明は、基板にn型半導体層を積層し、前記n型半導体層に発光体層を積層し、前記発光体層にp型半導体層を積層し、前記発光体層およびp型半導体層をエッチングによりn型半導体層を露出させ、前記露出した前記n型半導体層にボンディング用のn側電極を積層し、前記n側電極と前記p型半導体層とを覆うように絶縁性を有する保護層を積層し、前記保護層をエッチングにより前記n側電極をボンディング可能に露出させ、かつ前記p型半導体層の全体が露出するように露出させ、前記保護層から露出した前記p型半導体層に前記発光体層を囲うように光反射性を有するp側光反射電極を積層し、前記p側光反射電極にボンディング用のp側電極を積層することを特徴としたものであり、発光体層の側方から出射した光をp型半導体層より略等しいか、または広く形成されたp側光反射層が反射して、主光取り出し面から出射させることが可能な半導体発光素子を製造することができる。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子について図1から図6に基づいて説明する。図1は本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の構成を説明する図である。図2から図6は、本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を説明する図で、図2から図6において(a)は斜視図、(b)は垂直断面図、(c)は平面図である。
図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子1は、サファイアなどで形成される基板2にn型半導体層3が積層され、n型半導体層3にn側電極5が積層されるとともに、発光体層4およびp型半導体層6が積層されている。
p型半導体層6に光反射性を有するp側光反射電極7が積層され、p側光反射電極7の周囲には、p型半導体層6および発光体層4を囲うとともに、n側電極5のp型半導体層6側に面した側面を覆うように保護層8が積層されている。
保護層8に積層され、発光体層4を囲うように、光反射性を有する光反射層9が積層されている。また、光反射層9およびp側光反射電極7を覆うように、ボンディング用のp側電極10が形成されている。
基板2は、GaN,SiC,サファイアなどで形成されている。基板2としては、GaAsやGaPなども使用できる。
n型半導体層3は、基板2にGaN,AlGaNを積層させて形成する。n型半導体層3と基板2の間にGaNやInGaNで形成したバッファ層を設けることも可能である。
発光体層4とp型半導体層6は、n型半導体層3の全面に、InGaNで積層した発光体層と、発光体層の全面にGaNを積層してp型半導体層を積層した後に、ドライエッチングによりn型半導体層3にn側電極5を形成する領域を露出させて、発光体層4とp型半導体層6を形成する。
n側電極5は、n型半導体層3と接続するTiとボンディングするために好適なAuとから形成されている。
保護層8は、p型半導体層6と、n側電極5とを覆うように形成され、ウェットエッチングにより、p側光反射電極7を接続可能にp型半導体層の周囲を残してp型半導体層6を露出させるとともに、ボンディング可能にn側電極5を露出させて形成される。保護層8は、SiO2で形成されているので、絶縁性と光透過性を有している。
保護層8は、SiO2で形成したSiOxの他に、SiNxなどが使用できるが、絶縁性と光透過性を有していれば使用できる。
保護層8の膜厚は、n型半導体層に発光体層およびp型半導体層を形成しエッチングによりn型半導体層を露出させてn側電極5用の領域を形成する際にできる発光体層4およびp型半導体層6の側面部分、およびn型半導体層3からn側電極5表面までの側面部分(段差部分)に、十分な保護層8が形成できる程度の厚みとするのが望ましい。
p側光反射電極7は、p型半導体層6とオーミックコンタクトを取るためのPtと、光反射率のよいAgと、p側電極10と接続するためのPtで形成された多層構造である。また、p側光反射電極7は、Agの代わりにRhやAlを使用することもできる。その場合には、Agと異なりマイグレーションがないため、p側電極10を必要とせず保護層8をp型半導体層6の全体が露出するように形成し、p側光反射電極7をp型半導体層6と同じ面積で形成することが可能である。この場合のp側光反射電極7の組み合わせとしては、Pt/Rh(Al)/Ti/Auや、Rh(Al)/Ti/Auや、Pt/Rh(Al)/W/Ti/Auや、Rh(Al)/W/Ti/Auや、Pt/Ag/W/Ti/Auなどが使用できる。
光反射層9は、p側光反射電極7と同じ材質である多層構造で形成されている。同じ材質とすることで、保護層8を形成した後に、p側光反射電極7と光反射層9を同じ工程で形成することができる。光反射層9が、光透過性を有する保護層8の上から発光体層4を囲うように形成されているので、p側光反射電極7の周囲から漏れる光を光反射層9により反射させることができる。
p側電極10は、p側光反射電極7と接続するTiとボンディングするために好適なAuとから形成されている。p側電極10は、絶縁性を有する保護層8によりn側電極5から分離することで、Agのマイグレーションを防止でき、n側電極5と短絡することはない。
このように構成される本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法について図2から図6に基づいて説明する。
図2に示すように、まず、サファイアの基板2に、MOCVDエピタキシャル成長によりGaN,AlGaNからなるn型半導体層3を積層し、n型半導体層3に、InGaNをMOCVD法で積層した発光体層と、AlGaNをMOCVD法で積層したp型半導体層とが形成され、ドライエッチングにて、n側電極5を形成するための領域をn型半導体層3を露出させることで、発光体層4とp型半導体層6とを形成する。露出させたn型半導体層3の領域にn側電極5を形成する。
次に、図3に示すように、絶縁性を有し光透過性を有する、例えばSiO2で形成された絶縁層11を例えば熱CVDにより、p型半導体層6およびn側電極5を覆うように形成する。形成する絶縁層11の厚みは、発光体層4およびp型半導体層6の側面部分(段差部分)およびn型半導体層3からn側電極5表面までの側面部分に、十分な保護層8が形成できる程度の厚みとする。このように絶縁層11を形成することにより、p側に形成される発光体層4およびp型半導体層6と、後に形成するp側電極10、p側光反射電極7および光反射層9の各層からn側電極5を電気的に分離することができ、光反射層9が発光体層4の側面に接触することを防ぐことができる。
そして、図4に示すように、ウェットエッチングにより絶縁層11を、n側電極5のボンディングする接続面を露出させるとともに、p側光反射電極7(図1参照)が形成されるp型半導体層6の接続面を露出させて保護層8を形成する。
図5に示すように、保護層8に囲われたp型半導体層6が露出した面に、例えばPt,AgおよびPtの多層構造をしたp側光反射電極7を、例えばEB蒸着法により形成するとともに、保護層8の上面であってp型半導体層6および発光体層4を囲うように、p側光反射電極7と同じ材質である多層構造をした光反射層9を形成する。このように、光反射層9とp側光反射電極7を同じ材質で構成することにより、同じ工程で形成することが可能である。また、光反射層9は、p側光反射電極7と異なる材質とすることも可能である。
最後に、図6に示すように、p側電極10を光反射層9およびp側光反射電極7を覆うように、例えば、TiおよびAuで形成する。
このように、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、図1に示すように、発光体層4から出射した光は、n型半導体層および基板2を透過して主光取り出し面から出射する光と、p側光反射電極7に反射された主光取り出し面から出射する光だけでなく、従来の半導体発光素子では反射されることなく無駄となっていたp側光反射電極7の周囲の方向へ出射した光も、光反射層9を形成することで、発光体層4から出射した光を有効に反射させることができるので、輝度の向上を図ることができる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る半導体発光素子について図7および図8に基づいて説明する。図7は本発明の実施の形態2に係る半導体発光素子を説明する図である。図8は、本発明の他の実施の形態に係る半導体発光素子を説明する図である。
実施の形態2では、実施の形態1の保護層8をp型半導体層6の全体が露出するようにエッチングして、p側光反射電極16を発光体層4より広く形成することで、輝度の向上を図るものである。
なお、図7においては、図1で示される基板2,n型半導体層3,発光体層4,n側電極5,p型半導体層6,p側電極10は同様のものであるため、同符号を付して説明を省略する。
図7(a)で示されるように、実施の形態1の図3を形成した後に、ウェットエッチングにより絶縁層を除去する際に、p型半導体層6の全体が露出するように形成して保護層15を形成する。
保護層15は、実施の形態1の図3に示した状態からエッチングにより絶縁層を除去する領域を、p型半導体層6の全体が露出するように広くするだけで、対応可能であるため容易に形成することができる。また、保護層15の膜厚は、実施の形態1と同様に、発光体層4、p側半導体層6の側面部分およびn型半導体層3とn側電極5表面の側面部分(段差部分)に、十分な保護層8が形成できる程度の厚みとするのが望ましい。発光体層4、p側半導体層6の側面部分およびn型半導体層3とn側電極5表面の側面(段差部分)に、十分な保護層15が形成できる膜厚とすることで、p側に形成される発光体層4と、p型半導体層6と、p側電極10と、p側光反射電極16との各層からn側電極5を電気的に分離することができ、p側光反射電極16が発光体層4の側面に接触することを防ぐことができる。
そして、図7(b)で示されるように、p側光反射電極16を、p型半導体層6の上面、および保護層15の上面から発光体層4の周囲を囲うように形成する。p側光反射電極16は、実施の形態1と同様、例えば、Pt,Ag,Ptの多層構造の電極で形成すること可能である。また、p側光反射電極16は、実施の形態1のp側光反射電極7と同じ例えばEB蒸着法により形成することができる。
このように、p側光反射電極16を、p型半導体層6の上面および発光体層4の周囲を囲うように形成することで、発光体層4から主光取り出し面とは反対方向に出射された光を、全て主光取り出し面へ反射させることができるので、輝度の高い半導体発光素子とすることができる。
また、実施の形態1での光反射層が省略された構成であり、発光体層4から出射された光を絶縁層を介さずにp側光反射電極16のみで反射させるため、反射された光にバラツキが少ない。
なお、図8に示すように、p側光反射電極17は、発光体層4と略等しい領域のみに形成することができる。この場合には、発光体層4の側方へ出射された光は反射させることはできないが、従来の半導体発光素子のように、p側光反射電極にAgを使用したことによるマイグレーションによりn側電極5との短絡が発生する問題や、p側光反射電極の製造時におけるn側電極5との短絡が発生する問題は、保護層15によって防止することができる。従って、従来の半導体発光素子の図9に示されるp側光反射電極より本発明の半導体発光素子のp側光反射電極17の方が、発光体層4から出射された光をより多く反射することができるので、輝度の向上を図ることができる。
本発明に係る半導体発光素子は、輝度の高いものとすることが必要な、基板に半導体層を積層したフリップチップ型の半導体発光素子として有用である。
本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の構成を説明する図 本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を説明する図で、(a)は斜視図、(b)は垂直断面図、(c)は平面図 本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を説明する図で、(a)は斜視図、(b)は垂直断面図、(c)は平面図 本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を説明する図で、(a)は斜視図、(b)は垂直断面図、(c)は平面図 本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を説明する図で、(a)は斜視図、(b)は垂直断面図、(c)は平面図 本発明の実施の形態1に係る半導体発光素子の製造方法を説明する図で、(a)は斜視図、(b)は垂直断面図、(c)は平面図 本発明の実施の形態2に係る半導体発光素子を説明する図で、(a)および(b)は垂直断面図 本発明のその他の実施の形態の半導体発光素子を説明する図 従来の半導体発光素子を説明する図 従来の他の半導体発光素子を説明する図
符号の説明
1 半導体発光素子
2 基板
3 n型半導体層
4 発光体層
5 n側電極
6 p型半導体層
7,16,17 p側光反射電極
8,15 保護層
9 光反射層
10 p側電極
11 絶縁層

Claims (6)

  1. 基板にn型半導体層が積層され、前記n型半導体層にボンディング用のn側電極と発光体層とが積層され、前記発光体層にp型半導体層が積層され、前記p型半導体層に光反射性を有するp側光反射電極が積層され、前記p側光反射電極にボンディング用のp側電極が積層された半導体発光素子において、
    前記p型半導体層および発光体層の周囲を覆うように光反射性を有する光反射層が積層されたことを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記p側電極および前記n側電極の間と、前記光反射電極の前記発光体層側であって前記p型半導体層および前記発光体層を囲う周囲とに、絶縁性を有し光透過性を有する保護層が形成されたことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
  3. 前記光反射層は、前記p側光反射電極と略等しい材質で形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
  4. 基板にn型半導体層が積層され、前記n型半導体層にボンディング用のn側電極と発光体層とが積層され、前記発光体層に前記p型半導体層が積層され、前記n側電極をボンディング可能に露出させ、かつ前記p型半導体層を導通可能に露出させるように、絶縁性を有し光透過性を有する保護層が積層され、前記p型半導体層に光反射性を有するp側光反射電極が積層され、前記p側光反射電極にボンディング用のp側電極が積層された半導体発光素子であって、
    前記p側光反射電極は、前記発光体層より略等しいか、または広く形成されたことを特徴とする半導体発光素子。
  5. 基板にn型半導体層を積層し、
    前記n型半導体層に発光体層を積層し、
    前記発光体層にp型半導体層を積層し、
    前記発光体層およびp型半導体層をエッチングによりn型半導体層を露出させ、
    前記露出した前記n型半導体層にボンディング用のn側電極を積層し、
    前記n側電極と前記p型半導体層とを覆うように絶縁性を有する保護層を積層し、
    前記保護層をエッチングにより前記n側電極をボンディング可能に露出させ、かつ前記p型半導体層を接続可能に前記p型半導体層の周囲を残して露出させ、
    前記保護層から露出した前記p型半導体層の領域に光反射性を有するp側光反射電極を積層し、
    前記保護層に前記p型半導体層および前記発光体層の周囲を囲うように光反射性を有する光反射層を積層し、
    前記p側光反射電極および前記光反射層上にボンディング用のp側電極を積層することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  6. 基板にn型半導体層を積層し、
    前記n型半導体層に発光体層を積層し、
    前記発光体層にp型半導体層を積層し、
    前記発光体層およびp型半導体層をエッチングによりn型半導体層を露出させ、
    前記露出した前記n型半導体層にボンディング用のn側電極を積層し、
    前記n側電極と前記p型半導体層とを覆うように絶縁性を有する保護層を積層し、
    前記保護層をエッチングにより前記n側電極をボンディング可能に露出させ、かつ前記p型半導体層の全体が露出するように露出させ、
    前記保護層から露出した前記p型半導体層に前記発光体層を囲うように光反射性を有するp側光反射電極を積層し、
    前記p側光反射電極にボンディング用のp側電極を積層することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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