JP2006093358A - 窒化物半導体を用いた発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の窒化物LEDは、p型窒化物半導体層の表面に、n型窒化物半導体からなる厚さ15nm以下のp側コンタクト層が形成され、その上に、Alからなる反射層で該p側コンタクト層と接するp側電極が設けられるという、特徴的な構成を有する。このように形成されたp側電極は、窒化物LEDのp側電極として実用可能な程度に低い接触抵抗を示すうえに、Alが可視〜近紫外波長において高い反射率を有していることから(例えば、波長400nmの光に対して、Alからなる理想的なミラーの反射率は90%を超える)、活性層で生じる光を効率的に反射して、窒化物LEDの発光効率を改善する効果を有する。
【選択図】図1
Description
a+b≦1)で表される化合物半導体であって、例えば、二元系のGaN、AlN、InN、三元系のAlGaN、InGaN、InAlN、四元系のAlInGaNなど、任意の組成のものが例示される。ここで、3族元素の一部を、B(ホウ素)、Tl(タリウム)等で置換したものや、N(窒素)の一部をP(リン)、As(ヒ素)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)等で置換したものも、窒化物半導体に含まれる。
一方、開口電極を用いた場合であるが、前述のようにp型窒化物半導体層の面内方向には電流が殆ど拡がらないことから、活性層4のうち発光するのは実質的に電極部(開口電極において電極膜が存在する部分)の下方に位置する領域のみとなり、開口部の下方では発光がほとんど生じない。しかし、電極膜下方の活性層4で発生する光の一部は直接開口部から素子外部に出射され、残りの部分も、素子内部に存在する屈折率界面や、素子内外を隔てる屈折率界面、電極膜などで、繰り返し反射されるうちに開口部に到達し得る。そのため、開口電極はLEDの発光効率を向上させるうえで好ましい電極となる。
すなわち、本発明は、次の特徴を有する。
(2)上記p側電極が上記反射層のみからなる、上記(1)に記載の発光ダイオード。
(3)上記p側電極が、上記反射層と、Auからなる表面層と、上記反射層と上記表面層との間に形成され、Auよりも融点の高い金属からなる層を含むバリア層とからなる、上記(1)に記載の発光ダイオード。
(4)上記反射層の厚さが70nm以下である上記(3)に記載の発光ダイオード。
(5)上記反射層が、Ti、Nd、Si、Cuから選ばれる1以上の金属を含むAl合金からなる、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(6)上記p側電極が、上記p側コンタクト層のほぼ全面に形成された、上記(1)〜(5)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(7)上記p側電極が開口電極である、上記(1)〜(6)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(8)上記開口電極の開口部の面積比が50%〜80%であり、かつ、発光波長が紫色〜近紫外領域の波長である、上記(7)に記載の発光ダイオード。
(9)上記開口電極は、該開口電極の任意の20μm四方の領域を見たときに、該領域内に電極部と開口部とが少なくとも含まれるパターンを有する、上記(7)または(8)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(10)上記開口電極の上に透明導電膜が積層された、上記(7)〜(9)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(11)上記反射層が、反射層部と無反射層部とからなるパターンに形成された、上記(1)〜(6)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(12)上記無反射層部にAgからなる反射膜が形成された、上記(11)に記載の発光ダイオード。
(13)上記積層体が、窒化物半導体と異なる屈折率を有する材料からなり、表面に凹凸が形成された基板の上に形成された、上記(1)〜(12)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(14)上記積層体が、導電性の基板に対して上記n型窒化物半導体の側で接合された、上記(1)〜(10)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(15)上記積層体が、導電性の基板に対して上記p側コンタクト層の側で接合された、上記(1)〜(6)、(11)、(12)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(16)上記p側コンタクト層が、上記p型窒化物半導体層上に部分的に形成された、上記(1)〜(5)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(17)上記p側コンタクト層の電子濃度が1×1018cm−3以上である、上記(1)〜(16)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(18)上記p側コンタクト層にn型不純物がドープされた、上記(17)に記載の発光ダイオード。
(19)上記p側コンタクト層がInxGa1−xN(0≦x≦1)からなる、上記(1)〜(18)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(20)上記p側コンタクト層が、上記活性層で発生される光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを有するn型窒化物半導体からなる、上記(1)〜(19)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(21)上記p型窒化物半導体層には、Mgが濃度1×1018cm−3〜1×1020cm−3の範囲でドープされた、上記(1)〜(20)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(22)上記p型窒化物半導体層は、不純物濃度および/または窒化物半導体組成が厚さ方向に一様でない、上記(1)〜(21)のいずれかに記載の発光ダイオード。
(23)上記p型窒化物半導体層はMgが濃度5×1019cm−3以下にドープされた部分を含み、かつ、発光波長が紫色〜近紫外領域の波長である、上記(21)または(22)に記載の発光ダイオード。
(24)発光波長が420nm以下である、上記(8)または(23)に記載の発光ダイオード。
(25)上記積層体は上記n型窒化物半導体層から順に成長された積層体であり、上記活性層と上記p側コンタクト層の間に形成された窒化物半導体層の厚さと、上記p側コンタクト層の厚さとの和が150nm以下である、上記(1)〜(24)のいずれかに記載の発光ダイオード。
図1は、本発明の第一の実施形態に係る窒化物LEDの断面構造を示す模式図である。このLED10は、サファイア基板11を有しており、そのサファイア基板11上にGaNバッファ層(図示せず)、SiドープGaNからなる厚さ約2μmのn型コンタクト層12、SiドープAlGaNからなる厚さ約2μmのn型クラッド層13、厚さ6nmのGaN障壁層と厚さ2nmのInGaN井戸層とが交互に10層ずつ積層された多重量子井戸構造の活性層14、MgドープAlGaNからなる厚さ100nmのp型クラッド層15、SiドープGaNからなる厚さ10nmのp側コンタクト層16が、順に成長されている。p側コンタクト層16側からのエッチングによって、n型クラッド層13から上の層が一部除去され、露出されたn型コンタクト層12の表面にn側電極P11としてAl/Ti積層電極が形成されている。p側コンタクト層16の表面には、p側電極P12として、厚さ50nmのAl層の上に厚さ50nmのPd層と厚さ100nmのAu層が順に積層されたAl/Pd/Au積層電極が、p側コンタクト層16の表面をほぼ全面的に覆うように形成されている。このp側電極P12は、上面から見るとp側コンタクト層16が露出した開口部を有するパターンに形成された、開口電極である。なお、ワイヤボンディング用のパッド電極の図示は省略している。
一方、SiC基板、GaN基板、Si基板、ZnO基板、GaAs基板等、半導体材料からなる基板は、n型不純物の添加によってn型伝導性とすることができる。このような導電性の基板を用いる場合は、n型コンタクト層12を省略し、n側電極を基板の裏面(窒化物半導体層を成長する主面の反対側の主面)に形成することができる。
n型コンタクト層12の組成はGaNに限定されるものではないが、n側電極P11との接触抵抗の低下、n型コンタクト層内での電子移動度の向上、上方に成長される活性層14その他の窒化物半導体層の品質向上のために、n型コンタクト層12は高品質の結晶を得やすい2元結晶のGaNで形成することが好ましい。
従来の窒化物LEDにおいては、p側電極との接触抵抗を低くするために、p型不純物を極めて高濃度にドープしたp型コンタクト層が必要であったが、本発明の窒化物LEDは、このようなp型コンタクト層を必要としない。p型クラッド層15にドープするp型不純物の濃度を抑えることができると、ドーピングによる結晶品質の低下が抑制されるために、転位等の欠陥そのものに起因したり、あるいは、欠陥に沿ってp型不純物が拡散することに起因する、耐電圧特性やリーク電流特性の劣化、その他発光効率の低下や特性の不安定化といった問題が軽減される。
これに対して、本発明の窒化物LEDにおいては、p型窒化物半導体層へのp型不純物のドーピング量を抑制し得ることから、p型不純物としてMgを用いたときに生じる、このような不純物吸収の問題を軽減することが可能となる。
例えば、p型クラッド層15の構成を、活性層14に近い領域はバンドギャップを相対的に大きくして活性層14へのキャリア閉じ込め効果を高くし、p側コンタクト層16に近い領域はバンドギャップが相対的に小さくなるようにして、p型不純物が活性化され易くなるようにしてもよい。p型不純物が活性化され易いと、より少量のp型不純物のドープで多数の正孔が生成されるため、高濃度ドープに伴う問題を抑制しつつ、p型窒化物半導体層の導電性を高くして、素子の動作電圧を低減することが可能となる。また、p型不純物としてMgを用いる場合には、前述の不純物吸収の問題も軽減できる。
p型クラッド層15の他の態様として、活性層14に近い領域ではMgの濃度を相対的に低くして、活性層14で発生される光の吸収を抑制する一方、p側コンタクト層16に近い領域はMg濃度を相対的に高くすることによって導電性を高めるようにしてもよい。
凹凸のサイズは、LEDの発光波長の4分の1以上とすることが好ましく、例えば、発光波長が空気中で400nmの場合であれば、窒化物半導体の屈折率は2.5前後であるから、凹凸の好ましいサイズ(凸状部分の幅や高さ)は約40nm以上となる。このような凹凸を形成すると、活性層14で発生する光の乱反射が生じることによって光取り出し効率が向上する。
p側コンタクト層16の表面が凹凸状を呈すようにするには、p型クラッド層15を、表面が凹凸状となるように形成し、その上に薄いp側コンタクト層16を形成すればよい。
p型クラッド層15の表面を凹凸状に形成する方法としては、次の方法が例示される。
・p型クラッド層15の少なくとも表面部を、成長面が凹凸状を呈す成長条件を用いて成長する。かかる成長条件は公知であり、定性的には、成長温度が低い程、成長雰囲気中の水素濃度が低い程、窒化物半導体の組成中のAlが多い程、3次元的成長が促進される。また、成長の下地面となる窒化物半導体層表面に対してシラン、テトラエチルシラン等の化合物を作用させて、層状成長を生じ難くする方法も用い得る。
・p型クラッド層15を表面が平坦となるように成長した後、その表面に部分的にエッチングを行う。
・活性層14の表面、または途中まで成長したp型クラッド層15の表面に開口部を有するマスクを形成し、該開口部からの選択成長を行うことによって、結晶を3次元的な形状に成長させる。
このような、窒化物半導体層の表面を凹凸状にする方法については、特開2003−277196号公報、特開2004−200431号公報、特開2004−193619号公報、特開2004−200523号公報等を参照することができる。
この方法では、p型窒化物半導体層上に、n型窒化物半導体からなるp側コンタクト層の前駆層を55nm以上の厚さに形成した後、マスクを用いた選択的エッチングによって、該前駆層中に厚さを15nm以下とした領域を部分的に形成し、その後、少なくとも該領域上に、Alからなる反射層を含むp側電極を形成する。これによって、エッチングにより厚さ15nm以下にされた領域がp側コンタクト層として働く。該領域とその他の領域との間には、40nm以上の段差がエッチングで形成されるので、光の乱反射効果が発生する。
この態様では、厚さ15nm以下の領域を前記開口電極の電極部のパターンに形成し、該領域のみにp側電極を形成してもよい。この場合、エッチングに用いたマスクを、引き続き、電極部のパターンをリフトオフにより形成するためのマスクとして用いることができる。
p側電極P12の形成にあたっては、電極膜を蒸着、スパッタリング、CVD等の方法で形成した後、電極膜とp側コンタクト層16との接触抵抗を低下させるために、300℃〜500℃の熱処理を行うことが好ましい。
開口電極のパターンに限定はないが、電極部と開口部がそれぞれ面内にムラなく分布したパターンとすることが好ましい。そのようなパターンとして、図2に示すように、電極部(斜線部)が、(A)〜(C)のような網目状、(D)のような分岐状、(E)のようなミアンダ状、(F)のような渦巻き状に形成されたパターンが例示される。
図2のパターンにおいて、電極部と開口部を入れ換えたパターンを採用することもできる。図2(A)〜(C)のパターンにて電極部と開口部とを入れ換えると、開口部に取り囲まれて孤立した電極部が分散したパターンとなるが、この孤立した電極部に給電するために、開口電極の上に、更に、ITO等からなる透明導電膜を積層することができる。なお、透明導電膜は、開口電極のパターンによらず、開口電極の導電性を補う目的で積層することもできる。
開口電極のパターンは細かい方が、光取り出し効率が高くなる。パターンが細かいと、単位面積に含まれる電極部と開口部との境界線の長さが長くなるが、該境界線近傍の電極部の下方で生じた光は、開口部から素子外に取り出され易いためである。従って、開口電極のパターンは、当該電極の任意の20μm四方の領域を見たときに、該領域内に電極部と開口部とが少なくとも含まれるように形成することが好ましい。
なお、前述のように、活性層のうち電流が流れる領域は、実質的に電極部の直下のみであるため、開口部の面積比が高くなると、電極部直下の活性層における電流密度が高くなる。ここで、発光する窒化物半導体のIn組成比が大きい緑色〜青色LEDでは、電流密度を増加させたときに、比較的低い電流密度において電気−光変換効率が飽和する傾向があるが、In組成の少ない紫色〜近紫外LED(典型的には、発光波長420nm以下のLED)では、電流密度が増加しても電気−光変換効率の飽和が起こり難いため、開口部の面積比を大きくしたときに、電流密度の増大による電気−光変換効率の低下の影響よりも、光取り出し効率の増加の影響がより大きく現れる。従って、開口電極は、特に、発光波長が紫色〜近紫外領域にある窒化物LEDに適しており、かかるLEDにおいては、開口部の好ましい面積比は50%〜80%となる。
Auからなる表面層P121は、耐食性に優れるために、電極全体の化学的な保護層となる。また、Alからなる反射層P123の表面には酸化膜が形成されるために、LEDをフリップチップボンディングする場合や、後述する態様においてp側電極P12と支持基板とを接合する場合に用いられるろう材(Au、Au−Sn共晶ハンダ等)との濡れ性が良くないが、Auからなる表面層P121を形成することにより、この問題が改善される。また、p側電極P12上にワイヤボンディング用のパッド電極を形成するときの、p側電極P12とパッド電極との接合性も良好となる。
バリア層P122の好ましい厚さは10nm〜300nmであり、表面層P121の好ましい厚さは、50nm〜2000nmである。
この問題を抑制するひとつの方法として、反射層を、耐熱性が純Alよりも高められたAl合金で形成することが好ましい。好ましいAl合金としては、Al−Ti合金、Al−Nd合金、Al−Si合金、Al−Cu合金等が例示される。
これらのAl合金膜の形成方法は、従来公知の方法を参照してよく、合金スパッタリングや、各成分金属の単体からなる薄膜を積層した後、熱処理を行う方法が、例示される。例えば、Al−Ti合金膜は、蒸着によってAl膜とTi膜の積層膜を形成した後、400℃以上で熱処理することによって得ることができる。
合金の組成は、Al合金膜の反射率が純Al膜の反射率の90%以上となるように、また、Alの電気特性が大きく変化しない範囲で定めることが望ましい。
反射層部と無反射層部とからなるパターンの形状は、上述の、開口電極のパターンに準じてよいが、無反射層部は電極として働き、かつ高反射性のAl層が存在しない部分となるため、その面積をできる限り小さくすることが好ましい。ただし、無反射層部に、Alよりも更に反射性の良好なAgからなる反射膜を形成してもよく、その場合は、無反射層部の面積を反射層部の面積と同等または同等以上にしてもよい。
好ましいパターンは、反射層部が、面積1000μm2以下の孤立した断片に分割されるパターンである。この場合、各断片が給電され得るように、p側電極P12を多層膜構造として、バリア層および/または表面層が各断片を電気的に接続するようにするか、透明導電膜を積層して、各断片を電気的に接続するようにする。
[窒化物半導体層の成長(工程1)]
図5(a)に示すように、窒化物半導体結晶のエピタキシャル成長に使用可能な成長用基板21の上に、必要に応じてバッファ層(図示せず)を介し、n型コンタクト層22、n型クラッド層23、活性層24、p型クラッド層25、p側コンタクト層26を、順に成長する。ここで、成長用基板21、バッファ層、n型コンタクト層22からp側コンタクト層26までの窒化物半導体層の好ましい態様は、前述の、第一の実施形態の場合と同じである。
図5(b)に示すように、p側コンタクト層26の表面に、p側コンタクト層26と接する部分にAlからなる反射層を含むp側電極P22を形成する。p側電極P22の好ましい態様は、前述の、第一の実施形態の場合と同じであるが、この態様では、開口電極とはしない。
図5(c)に示すように、p側電極P22の上に、導電性接着層27を介して、導電性の支持基板28を接合する。
導電性の支持基板としては、Cu−W基板、Cu−Mo基板、AlSiC基板、Si基板、SiC基板、GaAs基板、GaP基板、InP基板等が例示される。
導電性接着層27の材料は、p側電極P22と支持基板28とを接合できる材料であればよく、In、Au、Au−Sn共晶等のろう材、銀ペースト等の導電性接着剤が例示される。
ろう材を用いる場合には、ろう材と支持基板28との接着性を高めるための金属層(Ti層、Au層等)を支持基板28の表面に形成することができる。また、ろう材の成分が反射層中に拡散し、p側電極P22とp側コンタクト層26との接触抵抗が上昇したり、反射層の反射性が低下することを防ぐために、反射層の上に、反射層および使用するろう材よりも高融点の金属からなる層を積層しておくことが好ましい。
特に、AuやAu−Sn共晶をろう材として用いる場合には、p側電極P22の表面をAu層とすると濡れ性がよくなり、接着性が良好となるので、p側電極P22を、前述の第一の実施形態で説明した、Alからなる反射層と、バリア層と、Auからなる表面層とを積層した3層構造とすることが好ましい。
図5(d)に示すように、成長用基板21を除去する。除去の方法としては、例えば、次の方法が挙げられる。
(ア)研削および/または研磨によって成長用基板21を摩滅させる。
(イ)エッチングによって成長用基板21を分解または溶解する。
(ウ)窒化物半導体層を成長させるときに、成長用基板21および窒化物半導体とは異なる材料からなる層を、成長用基板21とn型コンタクト層22との間に形成しておき、その層をエッチングにより分解または溶解することにより、成長用基板21とn型コンタクト層22との界面で剥離を生ぜしめる。かかる層は、バッファ層であってもよい。
(エ)レーザ光の照射によって、成長用基板21に接するn型コンタクト層22の表面を分解し、成長用基板21とn型コンタクト層22との界面で剥離を生ぜしめる。
上記(ア)の方法については特開2000−277804号公報等、上記(イ)の方法については特開2003−309289号公報等、上記(ウ)の方法については特開平11−35397号公報等、上記(エ)の方法については、特開2004−87775号公報等を参照することができる。
図5(e)に示すように、上記工程4で露出されたn型コンタクト層22の表面にn側電極P21を形成する。なお、n側電極P21を形成する前に、必要に応じて、研磨やエッチングによりn型コンタクト層22の表面を平坦化したり、該表面に付着または残留する異物の除去を行う。n側電極P21としては、n型窒化物半導体とオーミック接触する公知の電極を適宜採用し得る。
一方、チップのサイズが500μm角を越えると、n型コンタクト層22の中で電流が一様に広がり難くなり、活性層の発光強度に面内ムラが生じる傾向がある。しかし、n型コンタクト層22の導電性を高くしようとして、その厚さを厚くすると、基板の種類や厚さにもよるが、窒化物半導体と基板との熱膨張係数差によってウエハが著しく反るために、前述の方法により製造することが困難となる。従って、500μm角を越える大サイズのチップでのこの問題を解決するには、n側電極P21を開口電極や透明電極としたり、透明導電膜からなる電極とし、n型コンタクト層22の表面に広がるように形成することが好ましい。
直径2インチのC面サファイア基板をMOVPE装置に装着し、水素雰囲気下で1100℃まで昇温し、表面のサーマルクリーニングを行った。その後、温度を330℃まで下げ、3族原料としてトリメチルガリウム(TMG)およびトリメチルアルミニウム(TMA)、5族原料としてアンモニアを用いて、厚さ20nmのAlGaN低温バッファ層を成長させた。なお、このAlGaN低温バッファ層の成長以降、窒化物半導体層の成長時にはサブフローガスとしてMOVPE装置内に窒素ガスを供給し、3族原料および5族原料のキャリアガスには水素ガスを用いた。
続いて1000℃に昇温し、原料としてTMG、アンモニアを供給し、アンドープGaN層を2μm成長させた後、更にシランを供給し、SiドープGaNからなる厚さ3μmのn型クラッド層(n型コンタクト層を兼用)を成長させた。
続いて、温度を800℃に低下させた後、GaN障壁層と、In0.03Ga0.97N井戸層(発光波長380nm)を各6層交互に積層してなる多重量子井戸構造の活性層を形成した。井戸層成長時のIn原料にはトリメチルインジウムを用いた。
次に、成長温度を1000℃に昇温して、Mg原料としてのビス(エチルシクロペンタジエニル)マグネシウム(EtCp2Mg)、およびTMG、TMA、アンモニアを供給し、Mg濃度が8×1019cm−3のp型AlGaNからなる第一のp型クラッド層を30nm成長させた。その後、TMAの供給を停止して、Mg濃度が8×1019cm−3のp型GaNからなる第二のp型クラッド層を150nm成長させた。
次に、EtCp2Mgを停止し、シラン、TMG、アンモニアを供給して、Si濃度が5×1018cm−3のn型GaNからなる厚さ5nmのp側コンタクト層を成長させた。
p側コンタクト層の成長完了後、加熱を停止するとともに、TMG、アンモニアの供給を停止し、窒素雰囲気で室温まで自然放冷した。
このようにして発光波長380nmの近紫外LED構造が形成されたウエハを得た。
ここで、p側コンタクト層表面に設けたp側電極は、フォトリソグラフィ技術を用いて図2(A)に示すような格子状パターンに形成した。この格子状パターンは、一辺6μmの正方形の開口部(p側コンタクト層の表面が露出した部分)が、縦横とも間隔2μmで正方行列状に配列したパターン、即ち、直交する2方向について、幅2μmの電極部と、幅6μmの開口部が交互に繰り返される、直交網目状パターンとした。
実施例1において、n型GaNからなるp側コンタクト層の厚さを10nmとする以外、実施例1と同様の方法によりLEDチップを作製し、素子特性を評価した。
評価の結果、発光中心波長380nm、出力4.0mW(20mA通電時)、順方向電圧3.6V(20mA通電時)であった。
実施例1において、n型GaNからなるp側コンタクト層の厚さを15nmとする以外、実施例1と同様の方法によりLEDチップを作製し、素子特性を評価した。
評価の結果、発光中心波長380nm、出力3.9mW(20mA通電時)、順方向電圧4.0V(20mA通電時)であった。
実施例1において、n型GaNからなるp側コンタクト層の厚さを20nmとする以外、実施例1と同様の方法によりLEDチップを作製し、素子特性を評価した。
評価の結果、発光中心波長380nm、出力3.7mW(20mA通電時)、順方向電圧5.5V(20mA通電時)であった。
実施例1において、n型GaNからなる厚さ5nmのp側コンタクト層に代えて、Mg濃度が5×1020cm−3のp型GaNからなる厚さ5nmのp型コンタクト層を形成するとともに、p側電極を厚さ20nmのNi層、厚さ150nmのAu層をこの順に積層した2層構造とする以外、実施例1と同様の方法によりLEDチップを作製し、素子特性を評価した。
評価の結果、発光中心波長380nm、出力3.2mW(20mA通電時)、順方向電圧3.2V(20mA通電時)であった。
比較例2のLEDチップは、順方向電圧が実施例1のLEDチップと同レベルであったが、出力が実施例1のLEDチップと比較して低下した。その理由は、p側電極として用いたNi/Au電極の近紫外波長における光反射性がAl/Pd/Au電極より低いことと、Mg濃度が高いp型コンタクト層の光吸収が大きいためであると考えられる。
実施例1において、第二のp型クラッド層のMg濃度を1×1019cm−3とする以外は、実施例1と同様の方法によりLEDチップを作製し、素子特性を評価したところ、発光中心波長380nm、出力4.8mW(20mA通電時)、順方向電圧3.3V(20mA通電時)であった。
実施例4のLEDチップは、順方向電圧が実施例1のLEDチップと同じとなり、出力は実施例1のLEDチップよりも向上した。その理由は、第二のp型クラッド層のMg濃度を低くしたことにより、Mgを高濃度にドープすることによって起こるp型窒化物半導体の光吸収が軽減されたためと考えられる。
実施例4において、n型GaNからなる厚さ5nmのp側コンタクト層に代えて、Mg濃度が5×1020cm−3のp型GaNからなる厚さ5nmのp型コンタクト層を形成するとともに、p側電極を厚さ20nmのNi層、厚さ150nmのAu層をこの順に積層した2層構造とする以外、実施例4と同様の方法によりLEDチップを作製し、素子特性を評価したところ、発光中心波長380nm、出力4.0mW(20mA通電時)、順方向電圧3.6V(20mA通電時)であった。
比較例3のLEDチップは、出力が実施例4のLEDチップよりは低いが、実施例1のLEDチップとは同レベルとなった。実施例4のLEDチップより出力が低くなった理由は、p側電極として用いたNi/Au電極の近紫外波長における光反射性がAl/Pd/Au電極より低いことと、Mg濃度が高いp型コンタクト層の光吸収が大きいためと考えられる。
比較例3のLEDチップの順方向電圧は、実施例1、実施例4や比較例2のLEDチップと比較して高くなった。比較例2のLEDチップと比べて順方向電圧が高い理由について、比較例3のLEDチップは第二のp型クラッド層のMg濃度が低いために、p型コンタクト層から第二のp型クラッド層へのMgの拡散が著しくなり、p型コンタクト層のMg濃度が低下した結果、Ni/Au電極との接触抵抗が増加したことが考えられる。
実施例1において、p側電極を開口部を有さない電極としたことと、パッド電極を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様の方法でLEDチップを作製した。作製したLEDは、リード電極パターンが形成されたセラミックパッケージ上に、電極を形成した面が下側となるようにフリップチップボンディングした。ボンディング材料にはAu−Sn共晶ハンダを用いた。
特性を評価したところ、発光中心波長380nm、出力6.2mW(20mA通電時)、順方向電圧3.2V(20mA通電時)であった。
実施例5において、n型GaNからなる厚さ5nmのp側コンタクト層に代えて、Mg濃度が5×1020cm−3のp型GaNからなる厚さ5nmのp型コンタクト層を形成するとともに、p側電極を厚さ20nmのNi層、厚さ150nmのAu層をこの順に積層した2層構造とする以外、実施例5と同様の方法によりLEDチップを作製してフリップチップボンディングし、特性を評価したところ、発光中心波長380nm、出力4.8mW(20mA通電時)、順方向電圧3.2V(20mA通電時)であった。
実施例1において、活性層に含まれる井戸層の組成を変更し、発光波長が405nmとなるようにしたこと以外、実施例1と同様にしてLEDチップを作製し、素子特性を評価したところ、出力5.2mW(20mA通電時)、順方向電圧3.3V(20mA通電時)であった。
実施例6において、第二のp型クラッド層のMg濃度を1×1019cm−3とする以外は、実施例6と同様の方法によりLEDチップを作製し、素子特性を評価したところ、、出力5.9mW(20mA通電時)、順方向電圧3.3V(20mA通電時)であった。
実施例6との比較から、発光波長を405nmとした場合においても、第二のp型クラッド層のMg濃度を低くすることによって、出力が向上することが確認された。
12 n型コンタクト層
13 n型クラッド層
14 活性層
15 p型クラッド層
16 p側コンタクト層
P11 n側電極
P12 p側電極
Claims (25)
- n型窒化物半導体層と、窒化物半導体からなる活性層と、p型窒化物半導体層と、n型窒化物半導体からなる厚さ15nm以下のp側コンタクト層とが、この順に積層された積層体と、
上記p側コンタクト層に形成され、p側コンタクト層に接する部分にAlからなる反射層を含むp側電極とを有し、
上記p側コンタクト層は上記p型窒化物半導体層に接して形成された、発光ダイオード。 - 上記p側電極が上記反射層のみからなる、請求項1に記載の発光ダイオード。
- 上記p側電極が、上記反射層と、Auからなる表面層と、上記反射層と上記表面層との間に形成され、Auよりも融点の高い金属からなる層を含むバリア層とからなる、請求項1に記載の発光ダイオード。
- 上記反射層の厚さが70nm以下である請求項3に記載の発光ダイオード。
- 上記反射層が、Ti、Nd、Si、Cuから選ばれる1以上の金属を含むAl合金からなる、請求項1〜4のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記p側電極が、上記p側コンタクト層のほぼ全面に形成された、請求項1〜5のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記p側電極が開口電極である、請求項1〜6のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記開口電極の開口部の面積比が50%〜80%であり、かつ、発光波長が紫色〜近紫外領域の波長である、請求項7に記載の発光ダイオード。
- 上記開口電極は、該開口電極の任意の20μm四方の領域を見たときに、該領域内に電極部と開口部とが少なくとも含まれるパターンを有する、請求項7または8のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記開口電極の上に透明導電膜が積層された、請求項7〜9のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記反射層が、反射層部と無反射層部とからなるパターンに形成された、請求項1〜6のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記無反射層部にAgからなる反射膜が形成された、請求項11に記載の発光ダイオード。
- 上記積層体が、窒化物半導体と異なる屈折率を有する材料からなり、表面に凹凸が形成された基板の上に形成された、請求項1〜12のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記積層体が、導電性の基板に対して上記n型窒化物半導体の側で接合された、請求項1〜10のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記積層体が、導電性の基板に対して上記p側コンタクト層の側で接合された、請求項1〜6、11、12のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記p側コンタクト層が、上記p型窒化物半導体層上に部分的に形成された、請求項1〜5のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記p側コンタクト層の電子濃度が1×1018cm−3以上である、請求項1〜16のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記p側コンタクト層にn型不純物がドープされた、請求項17に記載の発光ダイオード。
- 上記p側コンタクト層がInxGa1−xN(0≦x≦1)からなる、請求項1〜18のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記p側コンタクト層が、上記活性層で発生される光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを有するn型窒化物半導体からなる、請求項1〜19のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記p型窒化物半導体層には、Mgが濃度1×1018cm−3〜1×1020cm−3の範囲でドープされた、請求項1〜20のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記p型窒化物半導体層は、不純物濃度および/または窒化物半導体組成が厚さ方向に一様でない、請求項1〜21のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 上記p型窒化物半導体層はMgが濃度5×1019cm−3以下にドープされた部分を含み、かつ、発光波長が紫色〜近紫外領域の波長である、請求項21または22に記載の発光ダイオード。
- 上記発光波長が420nm以下である、請求項8または23に記載の発光ダイオード。
- 上記積層体は上記n型窒化物半導体層から順に成長された積層体であり、上記活性層と上記p側コンタクト層の間に形成された窒化物半導体層の厚さと、上記p側コンタクト層の厚さとの和が150nm以下である、請求項1〜24のいずれかに記載の発光ダイオード。
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