JP2006073815A - 半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 電灯や蛍光管などの代りに用いることができる半導体発光装置を１つの基板上に複数個の発光部を形成してモノリシックにより形成する場合において、配線の断線などが生じないで信頼性の高い半導体発光装置を提供する。
【解決手段】 基板１上に発光層を形成するように積層された半導体積層部１７が複数個に電気的に分離されることにより、複数個の発光部１が形成され、この複数個の発光部１が、配線膜３によりそれぞれ直並列に接続されている。この複数個の発光部１をそれぞれ電気的に分離する構造が、半導体積層部１７に形成される分離溝１７ａおよびその分離溝１７ａ内に埋め込まれる絶縁膜２１により形成され、その分離溝１７ａは、分離溝１７ａを挟んだ半導体積層部１７の表面が実質的に同一面になる場所に形成され、その分離溝１７ａ上に絶縁膜２１を介して配線膜３が形成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】 基板１上に発光層を形成するように積層された半導体積層部１７が複数個に電気的に分離されることにより、複数個の発光部１が形成され、この複数個の発光部１が、配線膜３によりそれぞれ直並列に接続されている。この複数個の発光部１をそれぞれ電気的に分離する構造が、半導体積層部１７に形成される分離溝１７ａおよびその分離溝１７ａ内に埋め込まれる絶縁膜２１により形成され、その分離溝１７ａは、分離溝１７ａを挟んだ半導体積層部１７の表面が実質的に同一面になる場所に形成され、その分離溝１７ａ上に絶縁膜２１を介して配線膜３が形成されている。
【選択図】 図１
Description
本発明は基板上に複数個の発光部が形成され、直並列に接続されることにより、たとえば１００Ｖの商用交流電源で照明用の電灯や蛍光管の代りに使用し得るような半導体発光装置に関する。さらに詳しくは、半導体積層部の表面側に設けられる配線膜により複数個の発光部を接続しながら、各発光部を電気的に分離する分離溝による配線膜の断線が生じにくい構造にした半導体発光装置に関する。
近年、青色系発光ダイオード（ＬＥＤ）の出現により、ディスプレイの光源や信号装置の光源などにＬＥＤが用いられ、さらに電灯や蛍光管の代りにＬＥＤが用いられるようになってきている。この電灯や蛍光管に代ってＬＥＤを用いる場合、１００Ｖの交流駆動でそのまま動作することが好ましく、たとえば図１１に示されるように、ＬＥＤを直並列に接続し、交流電源７１に接続する構成のものが知られている。なお、Ｓはスイッチを示す（たとえば特許文献１参照）。
一方、このようなＬＥＤ部を直並列に接続した発光装置をモノリシックに集積化することも考えられている（たとえば特許文献２参照）。この構造は、たとえば図１２に示されるように、サファイア基板６０上にｉ−ＧａＮ層６１、ｎ−ＧａＮコンタクト層６２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６３、ＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる活性層６４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６５、ｐ−ＧａＮコンタクト層６６が順次積層され、ｎ−ＧａＮコンタクト層６２が露出するように半導体積層部の一部をエッチングすると共に、さらに隣接するＬＥＤの境界部をｉ−ＧａＮ層６１に達するまでエッチングして溝７０を形成し、その溝７０内にＳｉＯ2膜６７を形成し、ｐ−ＧａＮコンタクト層６６上に透明電極６８を形成し、ｎ−ＧａＮコンタクト層６２と透明電極６８とを連結するように金属電極６９を設けることにより、形成されている。そして、この各電極を１個おきに第１の電源配線と第２の電源配線に接続することにより交流電源７１に接続し、１個ごと逆向きにして並列接続することが開示されている。
特開平１０−０８３７０１号公報（図３）
特開２０００−１０１１３６号公報（図６）
前述のように、複数個のＬＥＤを直並列に接続した発光装置をモノリシックにより形成するには、１つの基板上に半導体層を積層した後に、各発光部を電気的に分離するため分離溝を形成し、その分離溝内に絶縁膜を埋め込んで各発光部を電気的に分離し、その上に金属電極を形成することにより、隣接する発光部が接続されている。この場合、基板としてサファイア基板が用いられていること、上部で配線膜により各発光部が接続されることなどの点から、半導体積層部の下層の導電形半導体層に接続する電極は、半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の半導体層に接続して形成されている。そのため、前述の分離溝も下層を露出させるエッチングに引き続き、境界部のみをさらにエッチングすることにより分離溝７０が形成されている。その結果、図１２に示されるように、分離溝を越えて接続される金属電極６９は、下層のｎ−ＧａＮコンタクト層６２から、半導体積層部表面に設けられる透明電極６８まで、垂直な立上り部分を有している。
この半導体積層部の下層半導体層と上層半導体層との段差は、０.４〜１μｍ程度であるが、配線膜の立上りが非常に急峻であること、配線膜の厚さは０.２μｍ程度と非常に薄いこと、分離溝７０は３〜６μｍの深さがあり、絶縁膜が溝内に落ち込むため凹みやすいこと、などの理由により、ステップカバレッジが悪く、断線が生じる場合があるという問題がある。この問題は、発光部の数が、多くなるほど深刻な問題であり、とくに発光部を直列に何個も接続する場合には、そのうちの１箇所に断線が生じると、その直列部分に接続された全ての発光部が使用不可となるため、非常に深刻な問題となる。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、電灯や蛍光管などの代りに用いることができる半導体発光装置を１つの基板上に複数個の発光部を形成してモノリシックにより形成する場合において、配線の断線などが生じないで信頼性の高い半導体発光装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、配線の信頼性を向上させながら、配線スペースや付属部品配置のスペースを確保することができる構造の半導体発光装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、交流駆動で、発光しない時間があっても、チラツキを防止し、さらには所望の発光色にしたり、スイッチをオフにしても残光を利用することができる構造の半導体発光装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、複数個の発光部の一部に短絡などの不良が発生しても、残部で照明装置として動作し得る構造の半導体発光装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、複数個の発光部が直並列に接続されながら、サージなどが入力しても破壊しにくい構造の半導体発光装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、発光した光の発射面側に直並列接続をする配線膜が形成される場合でも、電極や配線による遮光をできるだけ排除し、光取り出し効率（外部量子効率）の優れた半導体発光装置を提供することにある。
本発明による半導体発光装置は、基板と、該基板上に発光層を形成するように半導体層を積層して半導体積層部が形成され、該半導体積層部が複数個に電気的に分離されると共に、それぞれに一対の導電形層への電気的接続部が設けられる複数個の発光部と、前記複数個の発光部を、それぞれ直列および／または並列に接続するために前記電気的接続部に接続される配線膜とを有し、前記複数個の発光部を形成するための電気的分離が、前記半導体積層部に形成される分離溝および該分離溝内に埋め込まれる絶縁膜により形成され、該分離溝は、該分離溝を挟んだ半導体積層部の表面が実質的に同一面になる場所に形成され、該分離溝上に前記絶縁膜を介して前記配線膜が形成されている。
ここに実質的に同一面とは、完全な同一面であることを意味するものではなく、配線膜を形成する際に段差によるステップカバレッジの問題が生じない程度の段差以下であることを意味し、具体的には、両面の差が０.３μｍ程度以下であることを意味する。また、電気的接続部とは、半導体層とオーミックコンタクトが得られるように設けられた金属電極や透光性導電層などを意味し、配線膜と電気的に接続し得るように発光部に形成された接続部を意味する。
具体的には、前記各発光部の前記一対の導電形層への電気的接続部が、前記半導体積層部の上層側の第１導電形半導体層に電気的に接続して設けられる上部電極と、前記半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の第２導電形半導体層に電気的に接続して設けられる下部電極とからなり、前記分離溝を挟んだ前記半導体積層部の表面が、共に前記上層側の半導体層になるように形成されている。前記下部電極の厚さが、前記上部電極の厚さより厚くなるように形成されることがより好ましい。
また、前記各発光部の前記一対の導電形層への電気的接続部が、前記半導体積層部の上層側の第１導電形半導体層に電気的に接続して設けられる上部電極と、前記半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の第２導電形半導体層に電気的に接続して設けられる下部電極とからなり、前記分離溝を挟んだ前記半導体積層部の表面が、共に前記下部電極が設けられる下層半導体層になるように形成され、前記下部電極が設けられる第１の発光部と、前記分離溝を介して該下部電極と前記配線膜により接続される上部電極が設けられる第２の発光部との間にダミー領域が設けられ、該ダミー領域に前記下層半導体層から前記上層半導体層に至る傾斜面が形成され、該傾斜面上を経て前記下部電極と上部電極とを接続する前記配線膜が形成される構造にすることもできる。
前記第２の発光部と、前記ダミー領域とが、前記上層の半導体層により実質的に同一面となる部分で第２の分離溝により分離され、該第２の分離溝内に絶縁膜が充填されることにより、第１の発光部と第２の発光部とが分離溝形成の精度により完全に電気的に分離できていない場合でも、第２の分離溝により電気的に分離することができるため、信頼性が向上して好ましい。
前記複数の発光部の光発射面側に残光時間が１０ミリ秒から１秒以内の蛍光材料が設けられることにより、交流駆動で半波ごとに発光部がオンオフすることによる点滅が繰り返されても、オフにした後発光時間が十ミリ秒程度以上続くため、オンオフによるチラツキが意識されることがなく、安定した照明装置にすることができる。さらに、発光部で発光する発光波長を所望の発光波長の光に変更する蛍光材料を用いることにより、青色発光または紫外光などの１色のＬＥＤにより、白色光など所望の発光色にすることができる。
前記複数の発光部の光発射面側に残光時間が１秒以上の蓄光材料が設けられることにより、発光部への印加電源がオフにされた後でも、発光を続けることができ、停電時の非常用照明として機能する。
前記直列に接続される発光部の群れごとに、ヒューズ素子が直列に接続されていることにより、該直列に接続される複数の発光部の群れが並列に複数接続されている場合、他の発光部の群れを異常なく動作させることができるため好ましい。
前記直列および／または並列に接続された複数の発光部の外部電源と接続される電極パッド間にサージを吸収するキャパシタが並列に接続されて形成されていることにより、サージが印加しても発光部を保護することができるため好ましい。
前記直列および／または並列に接続された複数の発光部の外部電源と接続される電極パッド間にサージを吸収するインダクタが直列に接続されていることによっても、サージが印加した場合に発光部を保護することができる。なお、このインダクタは、各発光部間に形成することもできるし、各発光部が渦巻きになるように形成することもできる。
前記配線膜のうち、少なくとも前記上部電極と接続される導電形の半導体層の表面上に形成される部分は、透光性導電膜により形成されることが、配線の直列抵抗をそれ程増大させることなく、光を有効に取り出すことができるため好ましい。
本発明によれば、半導体積層部を複数の発光部に分割して、配線膜により各発光部間を直列や並列に接続することにより、たとえば１００ＶのＡＣ駆動をし得るようなモノリシック構造の半導体発光装置を形成する場合に、各発光部間を分離する分離溝が、分離溝を挟んだ両側の半導体層が実質的に同一面になるような場所に形成されているため、その分離溝に起因する段差による配線膜の断線の問題や、断線しなくても膜厚が薄くなるという信頼性の問題を解消することができる。
すなわち、このような発光部間を直列または並列に接続する配線膜は、下層の半導体層に接続される電気的接続部（半導体層と直接または他の導電層を介してオーミックコンタクトし、配線膜と電気的に接続される部分を意味し、以下、単に電極ともいう）は低い位置にあり、上層の半導体層に接続される電極は高い位置にあり、その両電極を接続するには、段差が生じる。しかも、隣接する発光部間を電気的に分離するため、分離溝が形成されるが、分離溝は、下層の半導体層を露出させた表面から境界部に形成するのが効率的であるため、通常は分離溝の部分に大きな段差が形成されると共に、半導体積層部の表面から見ると分離溝と下層の露出部とが連続して広い幅でエッチングされ、絶縁膜を形成しても半導体積層部の表面との段差はなくならない。そのため、配線膜もその分離溝を跨ぎながら段差に沿って形成され、段差の角部で配線膜が薄くなって断線しやすいという問題を有している。しかしながら、本発明では、その分離溝が、半導体層表面が実質的に同一な面になる部分に形成されているため、その分離溝の幅をたとえば１μｍ程度と電気的絶縁が得られる程度の非常に狭い溝にすることにより、絶縁膜を形成する際に分離溝の少なくとも表面側は多少の凹みが生じても殆ど埋まる。その結果、その上に形成される配線膜は、分離溝を跨いで形成される部分でも、段差は殆どなく、ステップカバレッジの問題で配線膜の断線や肉厚が薄くなるという問題が発生することはない。
この場合、一対の電極の間には高さの差があるが、たとえば下部電極の厚さを厚く形成したり、半導体積層部の一部にダミー領域を形成し、そのダミー領域で傾斜面を形成することにより、段差部分に配線を形成する必要がなくなり、ステップカバレッジの問題による断線は生じない。
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光装置について説明をする。本発明による半導体発光装置は、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、基板１上に発光層を形成するように半導体層を積層して半導体積層部１７が形成され、その半導体積層部１７が複数個に電気的に分離されると共に、それぞれに一対の導電形層への電気的接続部（電極１９、２０）が設けられることにより複数個の発光部１が形成され、この複数個の発光部１が、配線膜３によりそれぞれ直列および／または並列に接続されている。本発明では、この複数個の発光部１をそれぞれ電気的に分離する構造が、半導体積層部１７に形成される分離溝１７ａおよびその分離溝１７ａ内に埋め込まれる絶縁膜２１により形成され、その分離溝１７ａは、分離溝１７ａを挟んだ半導体積層部１７の表面が実質的に同一面になる場所に形成され、その分離溝１７ａ上に絶縁膜２１を介して配線膜３が形成されていることに特徴がある。
図１に示される例では、青色発光の発光部１（以下、単にＬＥＤともいう）が窒化物半導体の積層により形成され、その表面に図示しない、たとえばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体やＳｒ-Ｚｎ-Ｌａ蛍光体などからなる発光色変換部材が設けられることにより、白色光を発光する発光装置として形成されている。そのため、半導体層積層部は、窒化物半導体層の積層により形成されている。しかし、赤、緑、青の３原色の発光部を形成して白色光になるようにすることもできるし、必ずしも白色光にする必要はなく、所望の発光色の発光部に形成することができる。
ここに窒化物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物(窒化物)からなる半導体をいう。
基板１１としては、窒化物半導体を積層するには、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）またはＳｉＣが用いられるが、図１に示される例では、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）が用いられている。しかし、基板は積層される半導体層に応じて格子定数や熱膨張係数などの観点から選ばれる。
サファイア基板１１上に積層される半導体積層部１７は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層１２が０.００５〜０.１μｍ程度、ついでアンドープのＧａＮからなる高温バッファ層１３が１〜３μｍ程度、その上にＳｉをドープしたｎ形ＧａＮからなるコンタクト層およびｎ形ＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなる障壁層(バンドギャップエネルギーの大きい層)などにより形成されるｎ形層１４が１〜５μｍ程度、バンドギャップエネルギーが障壁層のそれよりも小さくなる材料、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 (ＭＱＷ)構造の活性層１５が０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｐ形障壁層(バンドギャップエネルギーの大きい層)とｐ形ＧａＮからなるコンタクト層とによるｐ形層１６が合せて０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより形成されている。
図１に示される例では、アンドープで、半絶縁性のＧａＮからなる高温バッファ層１３が形成されている。基板がサファイアのような絶縁性基板からなる場合には、必ずしも半絶縁になっていなくても基板まで後述する分離溝を形成すれば支障はないが、アンドープにした方が積層する半導体層の結晶性が良くなるため、さらには、半絶縁性半導体層が設けられていることにより、各発光部に電気的分離する際に、基板表面までを完全にエッチングしなくても、電気的に分離することができるため好ましい。基板１１がＳｉＣのような半導体基板からなる場合には、隣接する発光部間を電気的に分離させるため、アンドープで半絶縁性の高温バッファ層１３が形成されることが各発光部を独立させるために必要となる。
また、ｎ形層１４およびｐ形層１６は、障壁層とコンタクト層の２種類で構成する例であったが、キャリアの閉じ込め効果の点から活性層６側にＡｌを含む層が設けられることが好ましいものの、ＧａＮ層だけでもよい。また、これらを他の窒化物半導体層で形成することもできるし、他の半導体層がさらに介在されてもよい。さらに、この例では、ｎ形層１４とｐ形層１６とで活性層１５が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。また、活性層１５上に直接ｐ形ＡｌＧａＮ系化合物層を成長したが、数ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＮ系化合物層を成長することにより、活性層１５の下側にピット発生層を形成して活性層１５にできたピットを埋め込みながら、ｐ形層とｎ形層との接触によるリークを防止することもできる。
半導体積層部１７上には、たとえばＺｎＯなどからなり、ｐ形半導体層１６とオーミックコンタクトをとることができる透光性導電層１８が０.０１〜０.５μｍ程度設けられている。この透光性導電層１８は、ＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯやＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でも、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができる。この半導体積層部１７の一部がエッチングにより除去されてｎ形層１４が露出され、さらにそのｎ形層１４の露出部の近傍で間隔ｄだけ離間してエッチングにより分離溝１７ａが形成されている。この離間する部分は発光領域（長さＬ１の部分）としては寄与せずダミー領域５となり、後述するように熱放散部、配線などの形成スペースなどとすることができ、目的に応じて間隔ｄは１〜５０μｍ程度の範囲内で設定される。この分離溝１７ａは、ドライエッチングなどにより形成されるが、電気的に分離できる範囲で、できるだけ狭い幅ｗで形成され、０.６〜５μｍ程度、たとえば１μｍ程度（深さは５μｍ程度）に形成される。
そして、透光性導電層１８上の一部に、ＴｉとＡｕとの積層構造により、ｐ側電極（上部電極）１９が形成され、半導体積層部１７の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ形層１４にオーミックコンタクト用のｎ側電極（下部電極）２０が、Ｔｉ-Ａｌ合金などにより形成されている。図１に示される例では、この下部電極２０が、０.４〜０.６μｍ程度の厚さに形成され、上部電極１９とほぼ同程度の高さになるように形成されている。しかし、上部電極１９とほぼ同じ高さにならなくても、配線膜３は真空蒸着などにより下部電極２０上に堆積されるため、それ程段差は形成されず、通常の高さのままでもよい。しかし、下部電極２０の厚さが上部電極１９の厚さより厚く形成されれば配線膜の信頼性が向上し、上部電極１９と同程度の高さになればより好ましい。なお、この例では、透光性導電層１８とｐ側電極１９の両方がｐ形層１６への電気的接続部になっているが、後述するように、配線膜３の材料によっては、透光性導電層１８のみで電気的接続部とすることができる。ｎ形層１４への電気的接続部はｎ側電極２０になる。
そして、この上部電極１９および下部電極２０の表面が露出するように半導体積層部１７の露出する表面および分離溝１７ａ内に、たとえばＳｉＯ2などからなる絶縁膜２１が設けられている。その結果、分離溝１７ａで区切られた発光部１が基板１１上に複数個形成されている。その絶縁膜２１の表面で、１個の発光部１ａのｎ側電極２０とその発光部１ａと隣接する発光部１ｂのｐ側電極１９とが配線膜３により接続されている。この配線膜３は、ＡｕまたはＡｌなどの金属膜を真空蒸着またはスパッタリングなどにより０.３〜１μｍ程度の厚さに形成されている。この配線膜３は、各発光部１が直列または並列の所望の接続になるように形成される。
たとえば、図１に示されるように、分離溝１７ａで分離された１つの発光部１ａのｎ側電極２０と隣接する発光部１ｂのｐ側電極１９とを順次接続していけば、直列に接続することができ、１個当り３.５〜５Ｖの動作電圧の合計が１００Ｖ近く（厳密には抵抗やキャパシタを直列に接続することにより調整できる）になるまで接続して、その組を並列に、しかもｐｎの接続方向が逆方向になるように並列に接続することにより、１００ＶのＡＣ駆動をする明るい光源にすることができる。また、図３に発光部１の配置例の一部が示されるように、ｐｎ関係が逆方向に並列接続された２個１組の発光部を直列に接続して、合計の動作電圧が１００Ｖに近くなるまで直列接続しもよい。このような配置の等価回路図は図４に示されるようになる。なお、この接続で明るさが充分ではない場合には、さらにこれらの組を並列に形成して接続することもできる。図３に示されるように、２個の発光部を逆並列に接続して１組としたものをさらに直列に接続する場合、縦方向ではなく、横方向に隣接する発光部１間でｎ側電極２０とｐ側電極１９とを配線膜３により接続する必要があり、配線膜３の形成場所が発光部１間に必要となる。このスペースとして、前述のダミー領域５を必要な幅で形成することができる。
つぎに、図１に示される構造の半導体発光装置の製法について説明をする。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスのＨ2 と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）、トリメチルアルミニウム(ＴＭＡ)、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの反応ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ4 、ｐ形にする場合のドーパントガスとしてのシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）またはジメチル亜鉛(ＤＭＺｎ)などの必要なガスを供給して順次成長する。
まず、たとえばサファイアからなる基板１１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、ＧａＮ層からなる低温バッファ層１２を０.００５〜０.１μｍ程度成膜した後、温度を６００〜１２００℃程度の高温に上げて、アンドープのＧａＮからなる半絶縁性の高温バッファ層１３を１〜３μｍ程度、Ｓｉをドープしたｎ形ＧａＮおよびＡｌＧａＮ系化合物半導体からなるｎ形層１４を１〜５μｍ程度成膜する。
つぎに、成長温度を４００〜６００℃の低温に下げて、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 (ＭＱＷ)構造の活性層６を０.０５〜０.３μｍ程度成膜する。
ついで、成長装置内の温度を６００〜１２００℃程度に上げ、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層およびＧａＮからなるｐ形層１６を合せて０.２〜１μｍ程度積層する。
その後、表面にＳｉ3Ｎ4などの保護膜を設けてｐ形ドーパントの活性化のため、４００〜８００℃程度で１０〜６０分程度のアニールを行い、たとえばＺｎＯ層をＭＢＥ、スパッタ、真空蒸着、ＰＬＤ、イオンプレーティングなどの方法により０.１〜０.５μｍ程度成膜することにより透光性導電層１８を形成する。ついで、ｎ側電極２０を形成するため、ｎ形層１４が露出するように、積層された半導体積層部１７の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングする。さらに引き続き、ｎ形層１４を露出させた近傍で、発光部１間を電気的に分離するため、ｎ形層１４の露出部と離間して半導体積層部１７を１μｍ程度の幅ｗで、同様にドライエッチングにより半導体積層部１７の高温バッファ層１３に至るまでエッチングする。ｎ形層１４の露出部と分離溝１７ａとの間隔ｄは、たとえば１μｍ程度になるように形成される。
つぎに、露出したｎ形層１４の表面にＴｉとＡｌを、それぞれ０.１μｍ程度と、０.３μｍ程度、スパッタリングまたは真空蒸着により連続して付着し、ＲＴＡ加熱により６００℃程度で５秒間の熱処理をすることにより合金化して、ｎ側電極２０を形成する。なお、ｎ側電極はリフトオフ法により形成すれば、マスクを除去することにより所定の形状のｎ側電極を形成することができる。その後、ｐ側電極１９のために透光性導電層１８上にＴｉとＡｕをそれぞれ０.１μｍと０.３μｍ程度づつ真空蒸着することにより、ｐ側電極１９を形成する。その後、全面にＳｉＯ2などの絶縁膜２１を形成し、ｐ側電極１９およびｎ側電極２０の表面が露出するように絶縁膜２１の一部をエッチング除去する。そして、露出するｐ側電極１９およびｎ側電極２０を接続する部分のみ開口したレジスト膜を設けてＡｕ膜またはＡｌ膜などを真空蒸着などにより設けてからレジスト膜を除去するリフトオフ法などにより所望の配線膜３を形成し、複数個の発光部１からなる発光部群ごとにウェハからチップ化することにより、図３に示される半導体発光装置のチップが得られる。なお、配線膜３を形成する際に、図３に示されるように、配線膜３と同じ材料で同時に外部と接続用の電極パッド４を形成する。
図１に示される例によれば、ｎ側電極２０を形成するためのｎ形層１４の露出部と、発光部１間を分離するための分離溝１７ａとが、近傍であっても（目的に応じてダミー領域５の幅を広くすることができる）別の部分に形成されており、さらにｎ側電極２０が高く形成されているため、隣接する発光部１間のｎ側電極２０とｐ側電極１９とを接続する配線膜３は、分離溝１７ａを介して形成されていても、大きな段差を経て接続する必要がない。すなわち、分離溝１７ａの深さは、３〜６μｍ程度あるが、その幅は０.６〜５μｍ程度、たとえば１μｍ程度と電気的分離が得られる程度の非常に狭い間隔であり、絶縁膜２１が完全に埋め込まれていなくても、表面は殆ど塞がり、その表面に形成される配線膜３には、多少の凹みは生じても大きな段差は生じない。そのため、ステップカバレッジの問題は一切なく、非常に信頼性のある配線膜３を有する半導体発光装置が得られる。
なお、前述の例では、ｎ側電極２０を透光性導電層１８の上に露出するように高く形成したが、前述のように、必ずしも透光性導電層１８の上に露出してｐ側電極１９とほぼ同一面になっていなくても、ｎ側電極２０の位置は分離溝１７ａを経て隣接する発光部のｐ側電極１９に至る段差よりは小さく、さらにｎ側電極２０の上に配線膜３が積層されてｐ側電極１９と接続されるため、段差の問題は余り生じない。そのため、ｎ側電極２０は特別に高く形成されなくても、断線などは生じにくく、非常に安定した配線膜３が得られる。若干でも高く形成されていれば、より一層信頼性が向上する点で好ましい。すなわち、分離溝１７ａの部分で段差が生じないように実質的に同一面の場所に分離溝１７ａが形成されていればよい。
前述の例は、ｎ形層１４の露出部と、分離溝１７ａを異なる場所に形成することにより、分離溝１７ａを挟んだ半導体層の表面を実質的に同一面になるようにしたが、ｎ形層１４を露出させた露出部に分離溝１７ａが形成されていても、傾斜面を有するダミー領域（中間領域）を設けることにより、断線の問題を防止することができる。その例が、図２に同様の断面説明図で示されている。
図２において、半導体積層部１７は図１に示される例と同じであるので、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。この例では、分離溝１７ａが半導体積層部１７の表面から形成されるのではなく、ｎ形層１４の露出面からさらに高温バッファ層１３に至るように分離溝１７ａが形成されている。ただし、分離溝１７ａを挟んでｎ側電極２０を形成する側と反対側にもｎ形層１４の露出部が形成され、そのｎ形層１４から半導体積層部１７上の透光性導電層１８の表面に達する傾斜面を有するダミー領域５が形成されていることに特徴がある。
このダミー領域５は、１つの発光部１ａとその隣の発光部１ｂとの間に形成されており、その幅Ｌ２は、１０〜５０μｍ程度に形成される。なお、このときの発光部１の幅Ｌ１は、６０μｍ程度である。また、このダミー領域５は、図２に示されるように、ｎ形層１４の露出部から半導体積層部１７の表面に至る傾斜面１７ｃが形成されている。図２には模式的に構造図が示されているだけで、寸法的には正確な図になっていないが、透光性導電層１８の表面とｎ形層１４との段差は、前述のように、０.５〜１μｍ程度で、ｎ形層１４の露出面から、分離溝１７ａの底までの寸法は３〜６μｍ程度ある。しかし、この分離溝１７ａの幅ｗは、前述のように、１μｍ程度であり、少なくとも分離溝１７ａの表面は、少々の窪みはできても殆ど絶縁膜２１により埋められている。したがって、このダミー領域５のｎ形層１４の露出面を経て配線膜３を形成すれば、殆どステップカバレッジの問題をなくすることができるが、図２に示される例では、このダミー領域５に傾斜面１７ｃが形成されている。これにより、絶縁膜２１および配線膜３は緩やかな勾配になり、より一層配線膜３の信頼性を向上させることができる。
このような傾斜面１７ｃを形成するには、たとえば傾斜面を形成する場所以外のところをレジスト膜などによりマスクし、基板１１を斜めに傾けてドライエッチングなどによりエッチングすることにより、図２に示されるような系斜面１７ｃを形成することができる。その後は、前述の図１に示される例と同様に、ｐ側およびｎ側の電極１９、２０を形成し、その電極表面が露出するように絶縁膜２１を形成し、配線膜３を形成することにより、図２に示される構造の半導体発光装置を得ることができる。
このダミー領域５が形成されることにより、前述のような傾斜面１７ｃを形成することができる他に、ダミー領域５自身は発光には寄与しないが、隣接する発光部１で発光した光が半導体層を伝ってこのダミー領域５の表面や側面から光を放射させることができ、発光部１が連続して形成される場合よりも、その発光効率（入力に対する出力）が向上する。また、発光部１が連続して形成されていると、通電により発熱した熱が逃げにくくて、結局は発光効率が低下したり、信頼性の低下を来す恐れがあるが、このような発光させないダミー領域５が形成されることにより、発熱しないで熱放散をしやすいため、信頼性の面からも好ましい。さらに、前述の図３に示されるように、横側に並ぶ２つの発光部１を配線膜３で連結する場合、配線膜３の形成場所が必要となるが、このダミー領域５に配線膜３を形成することができるし、後述するインダクタやキャパシタや抵抗（直列抵抗が１００Ｖに適合させるのに用いる場合がある）などの付属部品を形成するスペースとして利用することができる。また、自由に配線膜を形成するスペースがあるため、発光部１自身の構造を四角形状ではなく円形形状（上面図の形状）など、光の取出し構造を考慮した所望の形状にしやすいというメリットもある。すなわち、配線膜の断線防止のみならず、種々のメリットが付随する。このダミー領域５の利用は、図１の例でも同じである。
図２に示される例では、このダミー領域５と半導体積層部１７の高い側で隣接する発光部１とのあいだにも、その表面から高温バッファ層１３に至る第２の分離溝１７ｂが形成されている。この第２の分離溝１７ｂも、半導体積層部表面がほぼ同じ面の場所に形成されており、しかも前述と同様の電気的に分離し得る範囲で、できるだけ狭い間隔、すなわち１μｍ程度の幅で形成されている。そのため、この第２の分離溝１７ｂ上に絶縁膜２１を介して配線膜３が形成されても、断線などの問題は生じない。この第２の分離溝１７ｂは無くても構わないが、第２の分離溝１７ｂが設けられることにより、エッチングのバラツキにより分離溝１７ａが完全に高温バッファ層１３に達していない場合が生じても、隣接する発光部１間の電気的分離を確実にすることができ、その信頼性を向上させることができる。
図５は、本発明の半導体発光装置の応用例で、発光特性を向上させる例である。すなわち、前述のように、本発明の半導体発光装置は、ＬＥＤを相互に逆方向に接続しておいて、交流で直接駆動する構造になっている。そのため、一方向に接続されるＬＥＤ群は、交流の半波でのみ発光し、他方向に接続されるＬＥＤ群は交流の残りの半波でのみ発光する。したがって、図５（ｂ）に時間ｔに対する出力Ｐｏが示されるように、発光出力は半波の出力が繰り返されることになり、１００（５０×２）または１２０（６０×２）Ｈｚの繰返し周期のパルスとなる。この程度の繰返しでは、人間の目の感覚には、通常余り意識されないが、それでも敏感な目にはチラツキの現象が現れる。このような問題を解決するもので、蛍光体膜６が発光面に設けられている。
図５（ａ）には、図１に示される発光装置の表面に形成された電極パッド４を、回路基板３１の配線３２上に直接ハンダ付けなどにより接続するフリップチップタイプの例が示されている。すなわち、サファイア基板１１の裏面を光の放射面として上向きにし、各発光部１が図示しない配線膜により接続された部分を回路基板３１側にしてマウントされた例が示されている。そして、サファイア基板１１の露出面に蛍光体膜６が設けられている。蛍光体材料としては、余り残光時間が長いと消灯した場合にいつまでも明るく違和感を生じるので、残光時間（強度が１／１０程度になる時間）が１０ｍｓｅｃ（ミリ秒）から１ｓｅｃ程度のものが好ましく、たとえばＺｎＳ：Ｃｕ、Ｙ2Ｏ3、ＺｎＳ：Ａｌなどを用いることができ、このような蛍光体材料を、樹脂材料と混合してサファイア基板１１の表面に塗布することによりチラツキなどのない発光装置とすることができる。しかし、蛍光体膜６の形成は、このような基板裏面に限定されるものではなく、表面側に形成することもできる。
蛍光材料として、たとえば青色光を吸収して黄色に変換し、その黄色の光がＬＥＤチップから発せられる青色光と混色して白色光に変換するＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）のような発光色変換部材（１／１０残光時間は１５０〜２００ｎｓｅｃ）を用いることにより、青色光または紫外光のＬＥＤと発光色変換蛍光材料とにより電灯などに適した白色光の発光装置とすることができ、前述の残光時間が１０ｍｓｅｃ以上の蛍光体材料と混ぜることにより、残光による目のチラツキを解消しながら、所望の発光色の半導体発光装置とすることができる。このような蛍光体膜の被膜は、前述のサファイア基板１１の裏面に設ける場合に限らず、ＬＥＤの発光面側に設けられれば、その構造には限定されない。
図６は、図５の例をさらに変形したもので、蛍光体膜６の表面にさらに蓄光ガラス膜７が形成された例である。蓄光ガラスとは、テルビウムなどの蓄光材がガラス体内に混入されたもので、このようなガラスを粉末状にして透明樹脂に取り込むことにより、塗布により所望の場所に設けることができる。このような蓄光ガラス膜７が設けられることにより、前述の交流駆動によるチラツキをさらに確実に解消することができると共に、電源をオフにしてからもさらに３０〜１２０分程度は光っているため、誘導灯として使用することができ、停電時の非常用照明として機能する。なお、この蓄光ガラスを直接ＬＥＤチップに設けてもよいが、図６に示されるように、蛍光体膜６上に設けることにより、蛍光体材料にもよるが、蓄光が主な発光になったときに、光の吸収が少なくなるというメリットがある。
図７は、本発明の半導体発光装置のさらなる応用例を示す説明図である。すなわち、通常の電灯であれば、フィラメントが断線すれば点灯しなくなるだけで、電灯を交換すれば何ら不都合はないが、ＬＥＤの場合には、ショート不良が起こる場合がある。直列接続されたＬＥＤが全てショート不良になることは稀であるかもしれないが、１個がショートすると他の発光部への印加電圧が高くなり、可能性としてはあり得ることであり、完全な安全性は保たれていない。しかも後述するように、並列接続されている場合、一部がショート不良になると、他の発光部も発光しなくなる。そこで、図７に示されるように、直列接続された発光部１（ＬＥＤ）群と直列にヒューズ素子８が接続されている。このような構成にすることにより、ＬＥＤ群でショート不良が発生しても、ヒューズ素子８が安全装置となる。なお、同じ１００Ｖでも明るい発光装置にするには、図７（ｂ）に示されるように、直列に接続された発光部群が、さらに並列に複数組接続されるが、このような場合には、それぞれの直列接続された発光部群ごとにヒューズ素子８が直列に接続されることにより、一列の発光部群がオフになっても、残りの発光部群で発光することができ、暗くはなるが照明装置としては機能するので好ましい。
図８は、本発明の半導体発光装置にサージが入力しても保護することができるサージプロテクトとして、キャパシタ９が組み込まれた例である。すなわち、直並列接続された発光部１群のＡＣ電源に接続される電極パッド４ａ、４ｂ間にキャパシタ９が接続されたものである。このキャパシタ９は、たとえば１０〜２０ｐＦ程度あれば通常の静電破壊を防止することができるので、図８（ｂ）および８（ｃ）に平面説明図および断面説明図が示されるように、配線膜３３上に、たとえばＳｉ3Ｎ4からなる絶縁膜３５を、５ｎｍ程度の厚さで、面積が６０μｍ×６０μｍ程度の大きさに形成すれば、上記容量を形成することができ、サージを一旦キャパシタ９で吸収し、時間をかけて放電することができるため、サージに対して発光部１を保護することができる。
図９は、同様にサージプロテクタの例で、この例は、インダクタ１０を挿入した例である。すなわち、図９（ａ）に示される例は、たとえば前述の図２に示されるダミー領域５表面のスペースを利用して、配線膜３により渦巻きを形成した例である。このような渦巻きが形成されることにより、インダクタンスが１〜１０ｎＨ程度に形成され、サージが入力しても減衰させる作用をする。この発光部１間に形成するインダクタ１０は、電極パッドに近い部分に形成することが好ましく、数個程度のインダクタを形成すれば通常のサージを減衰させることができるため、全ての発光部間に設ける必要はない。なお、渦巻きの中心の端部は、図示しない絶縁膜を介して設けられる配線膜により一方の発光部と接続される。
図９（ｂ）は、インダクタ形成例の他の例で、この例は、直列接続される発光部１自体が渦巻き状になるように配線膜により接続されたものである。この両端の発光部１が、電極パッド４に接続されることにより、電極パッド４間にサージが入力しても、サージの立上り時の小電流が渦巻き状に接続された発光部１を流れることにより磁界が形成され、そのときのインダクタンスによりサージを減衰させることができる。
図１０は、本発明の変形例を示す図で、この例は、各発光部１で発光する光をできるだけ外部に取り出しやすくする例である。すなわち、この例は、発光部１上（透光性導電層１８上）の配線膜をＺｎＯ層などの透光性導電層３６により形成したものである。配線膜３が短くて直列抵抗が問題にならない程度であれば、全ての配線膜を透光性導電層３６で形成することもできるが、前述のインダクタを配線膜により形成する場合のように、配線膜が長くなる場合には、少なくとも発光領域（活性層５に電流が流れる部分）上の配線膜を透光性導電層３６により形成されればよい。ＺｎＯといえども、ＡｕやＡｌなどに比べると抵抗値が大きいからである。このように発光分部の上側に光を遮断する金属膜が設けられないようにすることにより、有効に発光した光を取り出すことができる。
前述の各例では、絶縁膜を形成するのに、ＳｉＯ2などをＣＶＤ法などにより形成したが、たとえばクラリアント・ジャパン株式会社の商品名spinfil 130のように、スピンコートして２００℃１０分、４００℃１０分の硬化処理することにより４００℃程度の高温に耐え、透明な絶縁性を有する絶縁膜を形成すれば、分離溝などの凹部を埋めて、ある程度平坦な絶縁膜を形成することができる。しかも熱処理をするため、鋭い凸凹も丸くなり、その上に形成する配線膜の断線は生じにくくなると共に、配線の薄い部分もなくなるため、全体として動作電圧が低くなり好ましい。しかし、この方法では、余り厚く形成すると、配線のための穴形成時の段差が大きくなり、その部分の配線膜の断線が生じる、という問題も生じる。
１ 発光部
３ 配線膜
４ 電極パッド
５ ダミー領域
６ 蛍光体膜
７ 蓄光ガラス膜
８ ヒューズ素子
９ キャパシタ
１０ インダクタ
１１ 基板
１３ 高温バッファ層
１４ ｎ形層
１５ 活性層
１６ ｐ形層
１７ 半導体積層部
１７ａ 分離溝
１８ 透光性導電層
１９ ｐ側電極（上部電極）
２０ ｎ側電極（下部電極）
２１ 絶縁膜
３ 配線膜
４ 電極パッド
５ ダミー領域
６ 蛍光体膜
７ 蓄光ガラス膜
８ ヒューズ素子
９ キャパシタ
１０ インダクタ
１１ 基板
１３ 高温バッファ層
１４ ｎ形層
１５ 活性層
１６ ｐ形層
１７ 半導体積層部
１７ａ 分離溝
１８ 透光性導電層
１９ ｐ側電極（上部電極）
２０ ｎ側電極（下部電極）
２１ 絶縁膜
Claims (11)
- 基板と、該基板上に発光層を形成するように半導体層を積層して半導体積層部が形成され、該半導体積層部が複数個に電気的に分離されると共に、それぞれに一対の導電形層への電気的接続部が設けられる複数個の発光部と、前記複数個の発光部を、それぞれ直列および／または並列に接続するために前記電気的接続部に接続される配線膜とを有し、前記複数個の発光部を形成するための電気的分離が、前記半導体積層部に形成される分離溝および該分離溝内に埋め込まれる絶縁膜により形成され、該分離溝は、該分離溝を挟んだ半導体積層部の表面が実質的に同一面になる場所に形成され、該分離溝上に前記絶縁膜を介して前記配線膜が形成されてなる半導体発光装置。
- 前記分離溝と該分離溝の一方の発光部との間に発光部に寄与しない半導体積層部からなるダミー領域が形成されてなる請求項１記載の半導体発光装置。
- 前記各発光部の前記一対の導電形層への電気的接続部が、前記半導体積層部の上層側の第１導電形半導体層に電気的に接続して設けられる上部電極と、前記半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の第２導電形半導体層に電気的に接続して設けられる下部電極とからなり、前記分離溝を挟んだ前記半導体積層部の表面が、共に前記上層側の半導体層になるように形成されてなる請求項１または２記載の半導体発光装置。
- 前記各発光部の前記一対の導電形層への電気的接続部が、前記半導体積層部の上層側の第１導電形半導体層に電気的に接続して設けられる上部電極と、前記半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の第２導電形半導体層に電気的に接続して設けられる下部電極とからなり、前記分離溝を挟んだ前記半導体積層部の表面が、共に前記下部電極が設けられる下層半導体層になるように形成され、前記下部電極が設けられる第１の発光部と、前記分離溝を介して該下部電極と前記配線膜により接続される上部電極が設けられる第２の発光部との間にダミー領域が設けられ、該ダミー領域に前記下層半導体層から前記上層半導体層に至る傾斜面が形成され、該傾斜面上を経て前記下部電極と上部電極とを接続する前記配線膜が形成されてなる請求項１記載の半導体発光装置。
- 前記ダミー領域の前記分離溝と反対側で、前記半導体積層部の表面が実質的に同一面となる部分に第２の分離溝が形成され、該第２の分離溝内に絶縁膜が充填されてなる請求項２または４記載の半導体発光装置。
- 前記複数の発光部の光発射面側に残光時間が１０ミリ秒から１秒以内の蛍光材料が設けられてなる請求項１ないし５のいずれか１項記載の半導体発光装置。
- 前記複数の発光部の光発射面側に残光時間が１秒以上の蓄光材料が設けられてなる請求項１ないし６のいずれか１項記載の半導体発光装置。
- 前記直列に接続される発光部の群れごとに、ヒューズ素子が直列に接続されてなる請求項１ないし７のいずれか１項記載の半導体発光装置。
- 前記直列および／または並列に接続された複数の発光部の外部電源と接続される電極パッド間にサージを吸収するキャパシタが並列に接続されてなる請求項１ないし８のいずれか１項記載の半導体発光装置。
- 前記直列および／または並列に接続された複数の発光部の外部電源と接続される電極パッド間にサージを吸収するインダクタが直列に接続されてなる請求項１ないし９のいずれか１項記載の半導体発光装置。
- 前記配線膜のうち、少なくとも前記上部電極と接続される導電形の半導体層の表面上に形成される部分は、透光性導電膜により形成されてなる請求項１ないし１０のいずれか１項記載の半導体発光装置。
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