JP2006148067A

JP2006148067A - ＧａＮ系化合物半導体の発光素子

Info

Publication number: JP2006148067A
Application number: JP2005274754A
Authority: JP
Inventors: Hyun-Soo Kim; 顯秀金; Jae-Hee Cho; 濟煕趙
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2006-06-08
Also published as: KR20060057090A; KR100862453B1; JP2012109639A; US7566910B2; US20060108593A1

Abstract

【課題】ＧａＮ系化合物の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板（１０）上に順次に積層されたｎ型半導体層（１２）、ｎ型半導体層の第１領域上に形成された活性層（１４）、及び活性層上に形成されたｐ型半導体層（１６）と、ｐ型半導体層上に形成されたｐ型電極（２０）と、ｎ型半導体層上で第１領域と離れた第２領域上に形成されたｎ型電極（３０）と、ｐ型半導体層、活性層及びｎ型半導体層の側壁に形成された誘電層（５２）と、誘電層上に形成された反射層（５４）とを備えることを特徴とする半導体発光素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、III−Ｖ族ＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物の半導体発光素子に係り、より詳細には、活性層を含むＧａＮ層の側面に高反射層が形成されたフリップチップ（Ｆｌｉｐ−Ｃｈｉｐ）型半導体発光素子に関する。

半導体発光ダイオード（ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、光通信のような通信分野、または、コンパクトディスクプレイヤー（ＣＤＰ）及びデジタル多機能ディスクプレイヤー（ＤＶＤＰ）のような装置で、データの伝送やデータの記録及び読み取りのための手段として広く使われており、例えば、大型屋外電光板やＬＣＤのバックライトなどに適用範囲を広めている。

ＧａＮ系化合物の半導体を利用したＬＥＤは、小型で低消費電力の特徴を有する。特に、ＧａＮ系化合物の半導体は、発光強度が高く、高輝度であるため、屋外での表示装置などに適用されている。

ＧａＮ系化合物の半導体を利用したＬＥＤの活性領域が、３００×３００μｍ^２である場合、通常、０．０６Ｗの入力電圧で駆動するが、照明を目的とする場合は、１０Ｗの入力電圧で駆動しなければならない。そのため、３０００×３０００μｍ^２級の活性領域を有する大面積チップの設計が必須である。そのような大面積チップでは、発生した光が側壁から外部に放出される光の損失を減らすことが重要である。

特許文献１には、メサウォール（ｍｅｓａｗａｌｌ）に多層の誘電体スタックを積層することにより、高反射コーティング層を形成して、ＬＥＤから光の抽出効率を向上させる技術を開示している。
米国特許第６６３０６８９号明細書

本発明の目的は、活性層から放出された光が、活性層を含むＧａＮ層の側壁へ放出されることを防止する半導体発光素子を提供するところにある。

本発明の他の目的は、フリップチップ型の半導体発光素子において、活性層からの光の抽出効率を向上させた半導体発光素子を提供するところにある。

前記目的を達成するために、本発明の半導体発光素子は、基板と、前記基板上に形成されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の第１領域上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ型電極と、前記ｎ型半導体層上で、前記第１領域と離れた第２領域上に形成されたｎ型電極と、前記ｐ型半導体層、活性層、及びｎ型半導体層を備えるスタックの側面に形成された誘電層と、前記誘電層上に形成された反射層とを備えることを特徴とする。

前記誘電層の屈折率は、１〜２．５であることが好ましい。

また、前記誘電層の厚さは、前記活性層からの光の波長（ｎｍ）の１／４である。

前記基板は、透光材料からなり、好ましくは、サファイアからなる。

前記誘電層は、シリコン酸化物、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、アルミニウム酸化物、フッ化リチウム、フッ化カルシウム、及びフッ化マグネシウムからなる群から選択される何れか一つである。

前記反射層は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、及びＩｒからなる群から選択される何れか一つである。

前記ｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層は、ＧａＮ系列のIII−Ｖ族の窒化物系化合物であることが好ましい。

本発明に係る発光素子は、発光領域の側面に無指向性反射（ＯｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｖｅ：ＯＤＲ）構造の高反射層が形成されるため、光の抽出効率が向上する。このような発光素子は、チップサイズが大きく、低消費電力であるため、光出力の大きい発光素子に有用である。

以下、添付された図面を参照して、本発明の好ましい実施形態に係る化合物半導体ＬＥＤを詳細に説明する。なお、図面に示された層及び領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して示されている。

図１は、本発明に好ましい実施形態に係るＧａＮ系のIII−Ｖ族の半導体ＬＥＤの概略的な断面図である。

図１を参照すれば、本発明の発光素子は、透明基板１０上に第１化合物半導体層１２を備える。第１化合物半導体層１２は、ｎ型III−Ｖ族の化合物半導体層、例えば、ｎ−ＧａＮ層であることが好ましいが、他の化合物半導体層であることもできる。第１化合物半導体層１２は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とに区分できる。第１化合物半導体層１２の第１領域Ｒ１上に、ｐ型キャリア及びｎ型キャリアとの再結合によって、光、例えば、青色光または紫外線が放出される活性層１４が積層されている。活性層１４上に、第２化合物半導体層１６が積層されている。第２化合物半導体層１６は、ｐ型III−Ｖ族の化合物半導体層、例えば、ｐ−ＧａＮ層であることが好ましいが、他の化合物半導体層であることもできる。第１化合物半導体層１２の第２領域Ｒ２上には、ｎ型電極３０が形成されている。

第２化合物半導体層１６上には、ｐ型電極２０が形成されている。ｐ型電極２０は、Ａｇ、または、Ａｇ合金を含むことができる。

一方、ｐ型ＧａＮ層１６、活性層１４及びｎ型ＧａＮ層１２を備えるスタックの側壁４０は、基板１０と所定の角度、例えば、３５゜から５５゜の角度をなすように形成される。側壁４０上には、高反射層５０が形成される。高反射層５０は、側壁４０上に形成された誘電層５２と誘電層５２上の反射膜５４とを備える。反射膜５４は金属層から形成され、ｐ型電極２０及びｎ型電極３０のうち何れか一つと接続されることができる。しかしながら、反射膜５４は、ｐ型電極２０とｎ型電極３０とを接続はしないように形成する。

透明基板１０は、透光材料からなり、サファイアから形成されることが好ましい。

図２Ａ及び図２Ｂは、‘ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎｄｅｖｉｃｅｌｅｔｔｅｒｓｖｏｌ．２４、Ｎｏ．１０、Ｏｃｔｏｂｅｒ２００３’に開示された光の波長及び入射角度によるＯＤＲコンタクト（ＯＤＲｃｏｎｔａｃｔ）と分散ブラッグ反射（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）コンタクト（ＤＢＲｃｏｎｔａｃｔ）の反射度を示すグラフである。ＯＤＲコンタクトの場合、波長及び角度に関係なく、９０％以上の高反射度を示すが、米国特許第６６３０６８９号明細書の誘電層スタックのようなＤＢＲの場合は、高反射度を示す波長及び角度が限定されている。このような事実から見れば、ＯＤＲコンタクトをＬＥＤの側壁にコーティングした場合は、高反射度を有するＬＥＤの具現が可能になる。

図３は、ＧａＮ層の表面に、誘電層５２及びＡｇ層（反射膜５４）を順にコーティングした場合における誘電層５２の屈折率の変化に対する反射度の変化を示したグラフである。反射度は、下記に示す式（１）より求めた。

ここで、ｎ_ｓはＧａＮ層の屈折率（ｎ_ｓ＝２．５）、ｎ_ｍはＡｇ層の屈折率（ｎ_ｍ＝０．１７３）、ｋ_ｍは金属吸着定数（ｋ_ｍ＝０．９５）、ｎ_ｄは誘電層５２の屈折率（ｎ_ｄ＝０．１〜４）である。

図３を参照すれば、誘電層５２の屈折率が低いほど、ＯＤＲの反射度が向上している。誘電層５２の屈折率が１である場合の最大反射度は、９４％である。誘電層５２がＳｉＯ_２（ｎ_ｄ＝１．５）である場合（Ａｇ／ＳｉＯ_２／ＧａＮ）の反射度は、９０％である。

一方、誘電層５２の屈折率がＧａＮ屈折率ｎ_ｓと同じ屈折率の２．５である場合、ＧａＮ層上に、直接Ａｇ層が形成された場合（Ａｇ／ＧａＮ）と同じになり、反射度は、約８４％である。

図３に示すように、誘電層５２の屈折率が２．５以上になる場合には、ＯＤＲコンタクトの誘電層５２が介在された反射度は向上しないことが分かる。また、実質的に屈折率が１未満である誘電層は得ることができないため、ＯＤＲコンタクトの誘電層５２の屈折率が１から２．５範囲であれば、反射度の向上に寄与することができるということが分かる。

また、誘電層５２の厚さは、ＯＤＲコンタクトを形成するために、活性層１４からの光の波長（ｎｍ）の１／４である。

誘電層５２は、シリコン酸化物、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、アルミニウム酸化物、フッ化リチウム、フッ化カルシウム、及びフッ化マグネシウムからなる群から選択される何れか一つであることができる。

反射層５４は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、及びＩｒからなる群から選択される何れか一つから形成されることができる。

図４は、本発明に係るフリップチップ型の発光素子が、サブマウント（ｓｕｂｍｏｕｎｔ）に装着された断面図である。図１の構成要素と実質的に同じ構成要素は同じ参照番号を使用し、その詳細な説明を省略する。

図４を参照すれば、サブマウント６０上に本発明に係る発光素子が装着されている。サブマウント６０上には、電気配線７０が形成されており、電気配線７０は、ソルダーボール８０を介してｐ型電極２０及びｎ型電極３０と電気的に接続される。

ｐ型電極２０及びｎ型電極３０に対して、光放出に必要な臨界電圧以上の電圧が印加されると、活性層１４から光が放出される。活性層１４から放出された光の一部（Ｌ１）は下部に放出されて、ｐ型電極２０で反射されて上部に進行し、他の一部（Ｌ２）は、上部に放出されて、透明基板１０を通過する。また、活性層１４から側壁４０に向かう光（Ｌ３）は、反射膜５０によって反射されて、効果的に基板１０を通過する。

本発明は、図示された実施形態を参考に説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが理解である。したがって、本発明の真の技術的範囲は、特許請求の範囲によって定められなければならない。

本発明は、半導体発光素子に関連した技術分野に適用されることができる。

本発明に好ましい実施例に係るＧａＮ系III−Ｖ族の半導体ＬＥＤの概略的な断面図である。光の波長によるＯＤＲコンタクトとＤＢＲコンタクトの反射図を示すグラフである。光の入射角度によるＯＤＲコンタクトとＤＢＲコンタクトの反射度を示すグラフである。ＧａＮ層の表面に誘電層及びＡｇ層を順にコーティングした場合における誘電層の屈折率の変化に対する反射度の変化を示すグラフである。本発明に係るフリップチップ型の発光素子をサブマウントに装着した場合の断面図である。

符号の説明

１０透明基板、
１２第１化合物半導体層、
１４活性層、
１６第２化合物半導体層、
２０ｐ型電極、
３０ｎ型電極、
４０側壁、
５０高反射層、
５２誘電層、
５４反射膜、
Ｒ１第１領域、
Ｒ２第２領域。

Claims

基板と、
前記基板上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の第１領域上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ型電極と、
前記ｎ型半導体層上で前記第１領域と離れた第２領域上に形成されたｎ型電極と、
前記ｐ型半導体層、活性層、及びｎ型半導体層を備えるスタックの側壁に形成された誘電層と、
前記誘電層上に形成された反射層と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
前記誘電層の屈折率は、１から２．５であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記誘電層は、シリコン酸化物、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、アルミニウム酸化物、フッ化リチウム、フッ化カルシウム、及びフッ化マグネシウムからなる群から選択される何れか一つであることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記誘電層の厚さは、前記活性層からの光の波長（ｎｍ）の１／４であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記基板は、透光材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記基板は、サファイアからなることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
前記反射層は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、及びＩｒからなる群から選択される何れか一つで形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記ｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層は、ＧａＮ系列のIII−Ｖ族窒化物系の化合物であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。