JP2005217406A - 電流拡散層を含む半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高濃度ドープ電流拡散層を含む半導体発光装置を提供する。
【解決手段】 ｐ型領域とｎ型領域の間に配置された発光領域を含むＩＩＩ族窒化物又はＩＩＩ族燐化物発光装置。少なくとも１つの高濃度ドープ層が、電流拡散をもたらすためにｎ型領域又はｐ型領域のいずれか又はその両方の中に配置される。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、高濃度ドープ電流拡散層を含む半導体発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的な光源の１つである。可視スペクトルに亘って作動することができる高輝度ＬＥＤの製造における現在関心を持たれている材料システムには、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元、三元、及び四元合金と、ＩＩＩ族燐化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び燐の二元、三元、及び四元合金とが含まれる。このような装置は、一般的に、ｐドープ領域とｎドープ領域の間に挟まれた発光又は活性領域を有する。多くの場合、ＩＩＩ族窒化物装置は、サファイア、炭化珪素、又はＩＩＩ族窒化物基板上にエピタキシャル成長し、ＩＩＩ族燐化物装置は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術により、ガリウム砒素上にエピタキシャル成長する。

Ｇｅｒｄ Ｍｕｅｌｌｅｒ編「半導体及び半金属」、第６４巻、電界発光Ｉ、アカデミックプレス、サンフランシスコ、２０００年

導電基板上で成長した装置は、多くの場合、装置の各反対側に形成された接点を有する。代替的に、導電性の乏しい基板上に成長した装置では、又は光学的又は電気的な理由で、装置の同じ側でｎ型及びｐ型領域の両方の一部分を露出させるために装置をエッチングすることができる。その後、露出した領域に接点を形成する。接点が反射性であり、光が装置の接点と反対の側から抽出される場合、その装置はフリップチップと呼ばれる。フリップチップ装置上の接点の少なくとも１つは直接活性領域の上に重ならないので、電流がｐ型及びｎ型領域を通って効率的に拡散しない場合、装置の性能が損なわれることがある。

本発明の実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物又はＩＩＩ族燐化物発光装置は、ｐ型領域とｎ型領域の間に配置された発光領域を含む。電流拡散をもたらすために、ｎ型領域又はｐ型領域のいずれか又はその両方の中に少なくとも１つの高濃度ドープ層が配置される。

特にＩＩＩ族燐化物装置の電流拡散を改善する１つの手法は、接点間のエピタキシャル層の厚みを大きくすることである。エピタキシャル層が厚いと、一般的に、装置製造費用及び吸収されて失う光の量が増大する。更に、フリップチップ装置では、接点を形成するためにエッチングして埋設層の一部分を露出する必要性が、特定の装置層が成長することができる厚みを制限する。
本発明の実施形態によれば、ＩＩＩ族燐化物フリップチップ装置は、１つ又はそれ以上の高濃度ドープ層を含む。高濃度ドープ層は、装置のエピタキシャル層の厚みを増大することなく、装置内で電流を横方向に拡散させる。図１Ａは、ＩＩＩ族燐化物フリップチップＬＥＤの断面図である。図１Ａの装置は、ｐドープクラッド領域５とｎドープクラッド領域７の間に挟まれた活性領域６を含む。活性領域によって発する光の波長は、当業技術で公知のように、活性領域６内の層の幅及び組成を選択することによって制御することができる。適切な活性領域の例は、障壁層によって分離された３つ又は４つの量子井戸を含む。ｎ接点層８は、ｎ接点１０をｎドープクラッド領域７から分離する。ｐ接点９は、ｐドープ電流拡散層３上に形成される。光は、非ドープ透明ＧａＰウィンドウ層１を通じて装置から抽出される。下表は、層３、５、６、７、及び８の各々に対して適切な厚み、組成、及びドーパントの例を与える。

各層に対して以下に示す特性は、例示的であり、限定を意味しない。例えば、Ｚｎ又はＳｉのような他のｐ型及びｎ型ドーパントを使用することができる。装置の層の適切な特性の選択に関する更なる詳細は、本明細書において引用により組み込まれている、Ｇｅｒｄ Ｍｕｅｌｌｅｒ編「半導体及び半金属」、第６４巻、電界発光Ｉ、アカデミックプレス、サンフランシスコ、２０００年の第１章〜第３章に見出すことができる。

図１Ａのｐ接点９及びｎ接点１０は、図１Ｂ及び図１Ｃに示すように多層構造とすることができる。図１Ｂは、多層ｐ接点９の例を示す。半導体層とのオーム接触をもたらすために、電流拡散層３に隣接してＡｕ−Ｚｎ合金の層９Ａが形成される。Ａｕ−Ｚｎ層９Ａは、例えば、ＴｉＷ、ＴｉＷ：Ｎ、及びＴｉＷのサンドイッチである任意的な保護金属層９Ｂによって保護することができる。その後、保護層９Ｂの上に金のような厚い接点層９Ｃが形成される。オーム層９Ａ及び保護層９Ｂは、反射体９Ｃの下の半導体層の全て又は単に一部分だけを覆うことができる。

多層ｎ接点１０は、図１Ｃに示すように類似の構造を有することができる。Ａｕ−Ｇｅ合金の層１０Ａは、半導体層とのオーム接点をもたらすために接点層８に隣接して形成される。Ａｕ−Ｇｅ層１０Ａは、例えば、ＴｉＷ、ＴｉＷ：Ｎ、及びＴｉＷのサンドイッチである任意的な保護金属層１０Ｂによって保護することができる。Ａｕの厚い反射層１０Ｃは、層１０Ａ及び１０Ｂの上に堆積される。オーム層１０Ａは、一般的にあまり反射性ではなく、従って、多くの場合、反射体１０Ｃの下の半導体層の小さな部分を覆うドット（図１Ｃのような）又は細いストライプとして形成される。

高濃度ドープ層４（図１Ａにおいて太い破線で表す）は、ｐドープ接点層３、ｐドープクラッド層５、及びｎドープクラッド層７の１つ又はそれ以上に含めることができる。高濃度ドープ層４は、付加的な電流拡散から利益を受けることができる装置の領域に形成される。図１Ａに示す装置では、ｐ接点９は、活性領域の上に直接重ならず、従って、電流は、ｐ接点９から活性領域に拡散することが必要である。従って、活性領域６のｐ型側は、付加的な電流拡散から利益を受けることができ、すなわち、高濃度ドープ層４を含むことができる。ｎ接点１０がシート接点である場合、ｎ接点１０は、活性領域全体の上に重なり、活性領域６のｎ型側に付加的な電流拡散を必要としない。ｎ接点１０が図１Ｃに示すようにオーム層１０Ａの小領域と大きな反射シート１０Ｃとを含む場合、電流は、オーム接触領域１０Ａからオーム接触領域１０Ａのない反射シート１０Ｃの下の区域まで拡散することが必要である。このような装置においては、活性領域６のｎ型側は、付加的な電流拡散から利益を受けることができ、すなわち、高濃度ドープ層４を含むことができる。

高濃度ドープ層４は、それらが形成される領域と同じ導電型でドープされる。例えば、装置のｎ型領域内の高濃度ドープ層４はｎ型であり、ｐ型領域内の高濃度ドープ領域４はｐ型である。一般的に、高濃度ドープ層４は、必ずしも必要ではないが、周囲の領域と同じドーパント種でドープされる。高濃度ドープ層４は、約５ｘ１０¹⁸から約１ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度までドープすることができる。これとは対照的に、ｎドープクラッド領域７、ｐドープクラッド領域５、及びｐドープ電流拡散層３は、通常は約５ｘ１０¹⁷から約１ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度までドープされる。

高ドーパント濃度のために、高濃度ドープ層４は、光を吸収する傾向があることになる。従って、高濃度ドープ層４は、通常は薄く、例えば約１０から１００ｎｍまでの厚みであり、装置の活性領域からできるだけ離して配置される。複数の高濃度ドープ層４を単一の領域に形成することができる。このような実施形態では、高濃度ドープ層は、通常は、少なくとも１０ｎｍの間隔を空けて配置され、全ての高濃度ドープ層の全厚は、約１００から約５００ｎｍの間である。

いくつかの実施形態では、高濃度ドープ層４は、それらが配置される領域と同じ組成である。他の実施形態では、高濃度ドープ層４は、それらが配置される領域よりも低いバンドギャップを有する四元ＡｌＩｎＧａＰ層、例えば、０．２＜ｘ＜０．７として（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐである。一般的に、材料のバンドギャップが小さいほど、材料を結晶品質を犠牲にすることなくより高濃度にドープすることができ、従って、高濃度ドープ層４に対する四元合金の使用は、これらの層をより高濃度にドープすることを可能にすると考えられる。更に、四元高濃度ドープ層によって生じたバンドギャップの低い小領域は、垂直ポテンシャル障壁を作り出すことにより横方向の電流拡散を更に促進することができる。

図２は、高濃度ドープ層を組み込むＩＩＩ族燐化物装置の例に対するエネルギバンド図の一部分を示す。クラッド層５及び７の各々は、４つの高濃度ドープ層４を含む。クラッド層５及び７は、各々、約１ミクロンの全厚を有する。高濃度ドープ層４は、各々、約５０ｎｍ厚であり、約１００ｎｍだけ隔てている。高濃度ドープ層４の吸収性の性質のために、これらの層は、活性領域６から遠く離れたクラッド層５及び７の部分に位置する。高濃度ドープ層は、約５ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度まで（Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐでドープされる。

高濃度ドープ電流拡散層はまた、ＩＩＩ族窒化物発光装置で使用することができる。図３は、高濃度ドープ層を含むＩＩＩ族窒化物フリップチップ装置の断面図である。図３の装置においては、ｎ接点層８が、成長基板２０及び任意的な核生成層（図示せず）の上に成長し、次に、ｎ型クラッド層７、活性領域６、ｐ型クラッド層５、及びｐ型接点層３が成長する。図１Ａの装置のように、活性領域によって発する光の波長は、当業技術で公知のように活性領域６の層の幅及び組成を選択することによって制御することができる。適切な活性領域の例には、障壁層によって分離された３つ又は４つの量子井戸が含まれる。ｎ接点１０は、エッチングによって露出したｎ接点層８の部分上に形成される。ｐ接点９は、ｐドープ接点層３上に形成される。ｎ接点１０及びｐ接点９の両方は反射性であり、光は、基板２０を通じて装置から抽出される。下表は、層３、５、６、７、及び８の各々に対して適切な厚み、組成、及びドーパントの例を与える。

各層に対する以下の特性は例示的であり、限定を意味しない。
図１Ａで説明した実施形態のように、図３に示す装置においては、高濃度ドープ層４は、ｐドープ接点層３、ｐドープクラッド領域５、ｎドープクラッド領域７、及びｎドープ接点層８のうちの１つ又はそれ以上の中に形成することができる。図３に示す装置において、ｐ接点は、通常は、活性領域６のｐ型側に十分な電流拡散をもたらすシート接点である。従って、ＩＩＩ族窒化物装置においては、高濃度ドープ層４は、多くの場合に活性領域６のｎ型側のみに形成される。図３の高濃度ドープ層４は、ＧａＮ層又は四元ＡｌＩｎＧａＮ層とすることができ、又は、高濃度ドープ層が位置する領域と同じ組成の層であってもよい。高濃度ドープ層は、図１Ａに付随した文章で上述したものと同じ厚み、活性領域に対する位置、及びドーパント濃度を有することができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、図１Ａ又は図３による大型接合装置（すなわち、約４００ｘ４００μｍ²を超える面積を有する装置）に対する接点９及び１０の配置を示す。図４Ａは平面図であり、図４Ｂは、線ＤＤに沿って切り取られた断面図である。層１９は、図１Ａの層１、３、４、５、６、７、及び８、又は図３の層２０、７、８、６、５、３、及び４を含む。活性領域は、ｐ及びｎ接点間の距離を最小にするために４つの分離した領域に分割される。エッチングによって露出した層に堆積した接点、すなわち、図１Ａの装置のｐ接点９及び図３の装置のｎ接点１０は、４つの領域を取り囲み、かつそれらを間に置いている。図１Ａの装置のｎ接点１０及び図３の装置のｐ接点９は、４つの活性領域上に形成される。ｐ接点９及びｎ接点１０は、空気又は任意的な絶縁層２２により互いに電気的に隔離される。６つのサブマウント接続２３及び１６個のサブマウント接続２４がｐ及びｎ接点上に堆積され、装置をサブマウントに接続する適切な表面を形成する。サブマウントは、多くの場合、半田接合によって装置に取り付けられたシリコン集積回路である。このような実施形態では、ｐ及びｎサブマウント接続は、例えば、半田付け可能な金属とすることができる。他の実施形態では、装置は、金結合、冷間圧接、又は熱圧着によりサブマウントに結合される。

図５Ａ及び図５Ｂは、図１Ａ又は図３による小型接合装置（すなわち、約４００ｘ４００μｍ²よりも小さい面積を有する装置）に対する接点９及び１０の配置を示す。図５Ａは平面図であり、図５Ｂは、線ＣＣに沿って切り取られた断面図である。層１９は、図１Ａの層１、３、４、５、６、７、及び８、又は図３の層２０、７、８、６、５、３、及び４を含む。図５Ａ及び図５Ｂに示す装置は、活性領域の下のエピタキシャル構造の層まで下方にエッチングされた単一のバイア２１を有する。図１Ａの装置のｐ接点９及び図３の装置のｎ接点１０は、バイア２１に堆積される。バイア２１は、均一な電流及び発光をもたらすように装置の中心に位置する。図１Ａの装置のｎ接点１０及び図３の装置のｐ接点９は、バイアを取り囲み、エピタキシャル構造の活性領域の他方の側との電気接点を形成する。ｐ及びｎ接点は、１つ又はそれ以上の誘電体層２２又は空気により分離され、かつ電気的に隔離される。２つのサブマウント接続２４及び１つのサブマウント接続２３が、ｐ接点９及びｎ接点１０上に配置される。サブマウント接続２３は、絶縁層２２によって囲まれた領域内のどこにでも位置してよく、必ずしもバイア２１のすぐ上に位置する必要はない。同様に、サブマウント接続２４は、絶縁層２２の外側の領域のどこにでも位置することができる。その結果、装置のサブマウントへの接続は、ｐ接点９及びｎ接点１０の形状又は配置によって制限されない。

図６は、パッケージ化された発光装置の分解組立図である。放熱スラグ１００は、インサート成形リードフレームに入れられる。インサート成形リードフレームは、例えば、電路を形成する金属フレーム１０６の回りに成形された充填プラスチック材料１０５である。スラグ１００は、任意的な反射器カップ１０２を含むことができる。上述の装置のいずれかとすることができる発光装置ダイ１０４は、熱伝導サブマウント１０３を通じてスラグ１００に直接又は間接的に取り付けられる。光学レンズとすることができるカバー１０８を追加することもできる。
本発明を詳細に説明したが、当業者は、本発明の開示により、本明細書で説明した発明の精神から逸脱することなく本発明に対する変更を為し得ることを認めるであろう。従って、本発明の範囲が図示及び説明した特定の実施形態に限定されることは意図していない。

本発明の実施形態によるＩＩＩ族窒化物フリップチップＬＥＤの断面図である。 図１Ａに示す装置のｐ接点を示す図である。 図１Ａに示す装置のｎ接点を示す図である。 本発明の実施形態の一部分のエネルギバンド図である。 本発明の実施形態によるＩＩＩ族窒化物フリップチップのＬＥＤの断面図である。 大型接合フリップチップＬＥＤに対する接点方式の平面図である。 大型接合フリップチップＬＥＤに対する接点方式の断面図である。 小型接合フリップチップＬＥＤに対する接点方式の平面図である。 小型接合フリップチップＬＥＤに対する接点方式の断面図である。 パッケージ化された半導体発光装置の分解組立図である。

符号の説明

１ 非ドープ透明ＧａＰウィンドウ層
３ ｐドープ電流拡散層
４ 高濃度ドープ層
５ ｐドープクラッド領域
６ 活性領域
７ ｎドープクラッド領域
８ ｎ接点層
９ ｐ接点
１０ ｎ接点

Claims (19)

1. 第１の導電型の領域と第２の導電型の領域の間に配置された発光領域と、
   前記第１の導電型の領域内に配置された少なくとも１つの高濃度ドープ層と、
   を含み、
   前記高濃度ドープ層は、前記第１の導電型の領域よりも高濃度にドープされる、
   ことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記発光領域は、少なくとも１つのＩｎＧａＰ層を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記発光領域は、少なくとも１つのＩｎＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の導電型の領域内に配置された複数の高濃度ドープ層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記複数の高濃度ドープ層の各々は、約１０ｎｍと約１００ｎｍの間の厚みを有し、
   前記複数の高濃度ドープ層は、第１の導電型の領域から少なくとも１０ｎｍだけ離される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記複数の高濃度ドープ層の全厚は、約１００ｎｍと約５００ｎｍの間であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. 前記第１の導電型の領域は、約５ｘ１０¹⁷と約１ｘ１０¹⁸ｃｍ^-3の間のドーパント濃度を有し、
   前記高濃度ドープ層は、約１ｘ１０¹⁸と約１ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3の間のドーパント濃度を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記高濃度ドープ層は、０＜ｘ≦１として（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記高濃度ドープ層は、０．２＜ｘ＜０．７として（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐを含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記高濃度ドープ層は、（Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐを含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記高濃度ドープ層は、０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、及び０＜ｚ≦１としてＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記高濃度ドープ層は、ＧａＮを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記高濃度ドープ層は、第１の高濃度ドープ層であり、
    前記第２の導電型の領域内に配置され、該第２の導電型の領域よりも高濃度にドープされた第２の高濃度ドープ層、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
14. 前記第１の導電型の領域及び前記第２の導電型の領域は、活性領域に隣接したクラッド層であり、
    前記第１の導電型のクラッド層の、前記活性領域から反対側の表面に隣接した第１の導電型の接触領域と、
    前記第２の導電型のクラッド層の、前記活性領域から反対側の表面に隣接した第２の導電型の接触領域と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. 前記高濃度ドープ層は、前記第１の導電型のクラッド層内に配置された第１の高濃度ドープ層であり、
    前記第１の導電型の接触領域内に配置され、該第１の導電型の接触領域よりも高濃度にドープされた第２の高濃度ドープ層、
    を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記高濃度ドープ層は、前記第１の導電型のクラッド層内に配置された第１の高濃度ドープ層であり、
    前記第２の導電型の接触領域内に配置され、該第２の導電型の接触領域よりも高濃度にドープされた第２の高濃度ドープ層、
    を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
17. 前記第１の導電型の領域及び前記第２の導電型の領域は、接触領域であり、
    前記第１の導電型の接触領域は、第１の導電型のクラッド領域によって前記活性領域から間隔を空けて配置され、
    前記第２の導電型の接触領域は、第２の導電型のクラッド領域によって前記活性領域から間隔を空けて配置される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
18. 前記高濃度ドープ層は、前記第１の導電型の接触領域内に配置された第１の高濃度ドープ層であり、
    前記第２の導電型の接触領域内に配置され、該第２の導電型の接触領域よりも高濃度にドープされた第２の高濃度ドープ層、
    を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 前記第１の導電型の領域に電気的に結合した第１のリードと、
    前記第２の導電型の領域に電気的に結合した第２のリードと、
    前記活性領域の上に配置されたカバーと、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。

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