JP2007005361A

JP2007005361A - 発光素子

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Publication number: JP2007005361A
Application number: JP2005180503A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Uchiumi; 孝昭内海; Toshio Hata; 俊雄幡; Kensaku Yamamoto; 健作山本; Takeshi Kamikawa; 剛神川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】反射層の反射率の低下を抑制し、発光の取り出し効率の低下が抑制された信頼性の高い窒化物系化合物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物系化合物半導体を含む発光素子であって、発光層５と、支持基板１と、発光層５と支持基板１との間に形成された反射層３１と、反射層３１に隣接して配置され金属で形成されている保護層３２とを含む発光素子１００。
【選択図】図１

Description

本発明は、青色領域から紫外光領域までの領域において発光可能な発光素子に関し、特に、反射層を有する発光の取り出し効率の高い発光素子に関する。

青色領域から紫外領域までの領域における発光に適した発光素子として、ＩＩＩ族元素の窒化物系化合物から形成される半導体層を含む窒化物系化合物半導体発光素子が開発されている。

従来の典型的な発光素子は、図９を参照して、サファイア基板９０上に、バッファ層９１、第１の反射層９２、ｎ型半導体層９３、発光層９４、ｐ型半導体層９５、第２の反射層９６、およびｐ側電極９８が順次積層された構造を有していた。そして、部分的に露出されたｎ型半導体層９３上にｎ側電極９８が形成されていた（たとえば、特許文献１を参照）。なお、図９の例においては、第２の反射層９６がｐ側電極９７を兼ねている。

ここで、上記の発光素子において、発光層で生じた光を外部に反射させるための反射層は、一般に、銀または銀を主成分とする合金で形成されており、蒸着後に反射層を放置していると、その反射層の表面に酸化およびマイグレーションが発生しやすく、反射層の反射率が落ちてしまい、発光層から反射双方向に入射された光が発光素子の外部に有効に取り出せないという問題が発生する。
特開２００３−１６３３７３号公報

上記のように、銀または銀を主成分とする合金から形成されている反射層を含む発光素子をを長期に渡って電流注入によって、高温多湿の悪環境下で動作させると、反射層のマイグレーションおよび／または酸化によって、反射層の反射率が低下し光の取り出し効率が低下する。実際、従来の典型的な窒化物系化合物半導体発光素子においては、４７０ｎｍの発光に対する反射率が、製造直後は約９０％であったが、大気（２５℃、室内）中にて１０００時間放置後は約５０％に低下した。また、高温高湿（６０℃、９０％ＲＨ）中では、反射率の低下減少が促進した。このため、この発光素子からの光出力も約半分に低下するという問題が生じていた。そこで、上記の反射率が低下した発光素子の反射層を解析したところ反射層に部分的に黒い点が見られ、この部分の反射率を測定したところ反射率が約半分に低下していた。

また、従来の典型的な発光素子において、発光しないまたは駆動電圧の高い発光素子の断面を解析したところ、反射層とその反射層に隣接する層との間に剥がれ、めくれ、空洞などの発生が観察された。これは、反射層に酸化、マイグレーションが発生するために反射層上に直接に金属層を形成して作製した発光素子は、上記反射層とその上に形成した金属層との間に剥がれ、めくれ、空洞などが発生したことにより、発光素子が発光しないまたは駆動電圧が高くなったことを意味する。

そこで、本発明は、反射層における酸化、マイグレーションの発生を防止することにより、反射層の反射率の低下を抑制し、発光の取り出し効率の低下が抑制された信頼性の高い発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、発光層と、支持基板と、発光層と支持基板との間に形成された反射層と、反射層に隣接して配置され金属で形成されている保護層とを含む発光素子である。

本発明にかかる発光素子において、反射層を銀または銀とネオジムとの合金から形成することができる。また、保護層を、金、白金、パラジウムおよびこれらの合金からなる群から選ばれる少なくとも１種類から形成することができる。また、保護金属層の厚さを１ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、保護層を２つ以上の保護部分層から構成することができる。また、１つ以上の窒化物系化合物半導体層を含むことができる。

本発明によれば、反射層における酸化、マイグレーションの発生を防止することにより、反射層の反射率の低下を抑制し、発光の取り出し効率の低下が抑制された信頼性の高い発光素子を提供することができる。

本発明にかかる発光素子は、図１および図５を参照して、発光層５と、支持基板１と、発光層５と支持基板１との間に形成された反射層３１と、反射層３１に隣接して配置され金属で形成されている保護層３２とを含む。

反射層３１に隣接するように金属で保護層３２を形成することにより、反射層による発光の反射率を低減することなく、反射層における酸化およびマイグレーションの発生を抑制することができる。このため、反射層による発光の反射率が発光素子の使用により低減するのを抑制することができる。また、反射層とその反射層に隣接する層との密着性が向上し、反射層とその反射層に隣接する層との間の剥がれ、めくれ、空洞などの発生を抑制することができ、発光素子の歩留まりが向上する。また、発光素子において各層の表面の平坦性が向上するため、駆動電圧の低い発光素子が得られる。

本発明にかかる発光素子において、反射層３１は、銀または銀とネオジムとの合金から形成されていることが好ましい。反射層を、銀または銀とネオジムとの合金から形成することにより、青色光領域から紫外光領域までの領域の発光に対して反射率の高い反射層が得られる。

また、本発明にかかる発光素子において、保護層３２は、金、白金、パラジウムおよびこれらの合金からなる群から選ばれる少なくとも１種類から形成されていることが、反射層における酸化およびマイグレーションを抑制する効果が大きい観点から、好ましい。このような保護層を用いることにより、反射層における酸化およびマイグレーションの抑制効果が高くなり、反射層とその反射層に隣接する層との密着性が増大するため、反射層とその反射層に隣接する層との間の剥がれ、めくれ、空洞などの発生が無くなり、また、各層の表面の平坦性が向上する。

また、本発明にかかる発光素子において、保護層の厚さは特に制限はないが、保護層が反射層の酸化抑制層およびマイグレーション抑制層として十分に機能するためには、保護層の厚さは１ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがより好ましい。保護層の厚さが１ｎｍ未満であると、保護層を均一に形成することができない。一方、保護層の厚さが３００ｎｍを超えると、反射層上に保護層を形成する際に反射層にダメージを与える。

また、本発明にかかる発光素子において、図５を参照して、保護層３２は、２つ以上の保護部分層（たとえば、第１の保護部分層３２ａ、第２の保護部分層３２ｂ）から構成されていることが好ましい。保護層を２つ以上の部分層から構成することにより反射層における酸化およびマイグレーションの抑制効果をより高めることができる。ここで、保護層が２つ以上の保護部分層から構成される場合において、各保護部分層を形成する金属は、同一の化学組成であってもよく、異なる化学組成であってもよい。

また、本発明にかかる発光素子において、１つ以上の窒化物系化合物半導体層を含むことが好ましい。たとえば、図１および図５に図示された発光素子において、ｐ型半導体層４、発光層５およびｎ型半導体層６のうち少なくとも１つの層を窒化物系化合物半導体層とすることができる。１つ以上の窒化物系化合物半導体層を含めることにより、青色光領域から紫外光領域までの領域の発光を有する発光素子が容易に得られる。

以下、本発明にかかる発光素子の実施形態について、図面を基づいて具体的に説明する。

（実施形態１）
本発明にかかる１つの発光素子は、図１を参照して、支持基板１である導電性基板上に、少なくとも、第１のオーミック電極２、第１の接着用金属層２１、第２の接着用金属層２２、保護層３２、反射層３１、第２のオーミック電極３ならびに窒化物系化合物半導体層であるｐ型半導体層４、発光層５およびｎ型半導体層６が順次配置されている。また、ｎ型半導体層６上に、透明電極７、パッド電極８およびボンディングワイヤ９が順次配置されている。

本実施形態の発光素子において、支持基板１として用いられる導電性基板は、熱伝導率が良好で、へき開面を形成しやすく、さらにｐ型またはｎ型の導電性を得やすい基板であれば、特に限定されるものではないが、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰおよびＧｅからなる群より選択される少なくとも１種類から形成される基板を用いることが好ましい。特に、本実施形態においては、安価な点から、Ｓｉ基板を用いることが好ましい。

また、第１のオーミック電極２を形成する材料は、特に制限はないが、Ｔｉ、Ａｌなどが好ましく挙げられる。第２のオーミック電極３を形成する材料は、特に制限はないが、Ｐｄが好ましく挙げられる。また、第１の接着用金属層２１および第２の接着用金属層２２を形成する材料は、Ａｕ、ＡｕＳｎなどが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。また、窒化物系化合物半導体層を形成する材料は、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）などが挙げられる。

次に、本実施形態の発光素子の製造方法について以下に説明する。なお、以下に例示する各層の厚さは一例であって、所望する発光素子の特性に応じて適宜調整することができる。

まず、図２を参照して、厚さ１２０μｍの下地基板１０上に、ＧａＮ材料からなる厚さ２０ｎｍのバッファ層１１ならびに窒化物系化合物半導体層として厚さ５μｍのｎ型半導体層６、ＭＱＷ構造を有する厚さ５０ｎｍの発光層５および厚さ２００ｎｍのｐ型半導体層４を順次成長させる（窒化物系化合物半導体層の形成工程）。これらの層の形成には、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いることができる。ここで、下地基板１０としては、サファイア、スピネル、ニオブ酸リチウムなどの絶縁性基板、あるいは炭化ケイ素、シリコン、酸化亜鉛、ガリウム砒素などの導電性基板を用いることができる。

次に、図２を参照して、ｐ型半導体層４上に、第２のオーミック電極３、反射層３１、保護層３２および第２の接着用金属層２２を順次蒸着により形成する（反射層、保護層および第２の接着用金属層の形成工程）。これらの層の形成には、ＥＢ法（電子ビーム蒸着法）を用いることができる。

ここで、第２のオーミック電極３としては、厚さ３ｎｍのＰｄ層を形成することができる。また、反射層３１としては、厚さ１５０ｎｍのＡｇ層を形成することができる。反射層３１の保護層３２としては、厚さ５０ｎｍのＰｔ層を形成することができる。また、第２の接着用金属層２２としては、厚さ３μｍのＡｕ層を形成することができる。

次に、図３を参照して、支持基板１である導電性基板上に、第１のオーミック電極２および第１の接着用金属層２１をこの順で形成する（第１の接着用金属層の形成工程）。これらの層の形成には、ＥＢ法を用いることができる。また、導電性基板としては、厚さ１２０μｍのＳｉ基板を用いることができる。また、第１のオーミック電極２としては、Ｔｉ（厚さ１５ｎｍ）／Ａｌ（厚さ１５０ｎｍ）複合層（Ｔｉ層、Ａｌ層の順に形成した複合層）を形成することができる。また、第１の接着用金属層２１としては、Ａｕ（厚さ１００ｎｍ）／ＡｕＳｎ（厚さ３μｍ）複合層（Ａｕ層、ＡｕＳｎ層の順に形成した複合層）を形成することができる。ここで、ＡｕＳｎ層中のＳｎは２０質量％とすることが好ましい。

次に、図４を参照して、第２の接着用金属層２２と第１の接着用金属層２１とが接合するようにして接合させる（接合工程）。具体的には、第２の接着用金属層２２を構成するＡｕ層と第１の接着用金属層２１を構成するＡｕ層上のＡｕＳｎ層とを対向させ、共晶接合法を用いて、温度２９０℃、圧力３．０×１０⁶Ｐａ（３００Ｎ／ｃｍ²）にて貼り付ける。

次に、図４を参照して、下地基板１０およびバッファ層１１を除去する（下地基板の除去工程）。具体的には、ＹＡＧ（ＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｉｕｍＧａｒｎｅｔ）−ＴＨＧ（ＴｈｉｒｄＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ）レーザ（波長３５５ｎｍ）を鏡面研磨した下地基板１０側から照射し、下地基板上に形成されたバッファ層１１とｎ型半導体層６の界面部分を熱分解することにより下地基板１０およびバッファ層１１を除去する（下地基板の除去工程）。

次に、図１を参照して、下地基板１０およびバッファ層１１が除去され露出したｎ型半導体層６上に透明導電体電極７としてＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）層（具体的には、ＳｎドープＩｎ₂Ｏ₃層）をほぼ全面に形成し、その中心部にボンディングパッド電極８としてｎ型ボンディングパッド電極（Ａｕ／Ｔｉ複合層）を形成する。

次に、図１を参照して、ＹＡＧ−ＴＨＧレーザ（波長３５５ｎｍ）を照射して、透明電極７の支持基板１側とは反対側の主面から支持基板１の途中までに溝（図示せず）を形成する。次に、赤外線透過型スクライブ装置を用いて、溝に対応するように支持基板１の裏面側からケガキ線（図示せず）を入れる。このケガキ線に沿って分割することにより、所定の大きさにチップ化することができる。さらに、ボンディングパッド電極８上にＡｕから形成されるボンディングワイヤ９をボールボンディングする。このようにして、図１に示す本実施形態の発光素子を製造することができる。

本実施形態で得られた発光素子を大気（２５℃、室内）中に１０００時間放置しても反射層３１の反射率の低下はなく、高温高湿（６０℃、６０％ＲＨ）中に１０００時間放置すると反射層３１の反射率の低下は初期値（放置前の値）の５％であった。ここで、反射率は、入射光源として水銀ランプを用いて、反射層からの反射光における波長４５０ｎｍの光の強度により測定した。なお、反射光の光強度の測定は、受光器（大塚電子社製ＭＣＰＤ７０００）を用いて行い、参照試料（参照試料の反射率を１００％とする）としてアルミニウム板を用いた。

以上のように、発光層５と支持基板１の間に反射層３１を形成し、その反射層３１の支持基板１側に隣接して保護層３２を形成することにより、反射層の酸化抑制およびマイグレーション抑制が可能となり、反射層の反射率が低下を抑制できる。また、本実施形態の発光素子においては、反射層とその反射層に隣接する層との間に剥がれ、めくれ、空洞などの発生が認められない。このため駆動電圧が低く、信頼性の優れた発光素子を提供することができる。

（実施形態２）
本発明にかかる他の発光素子は、図５を参照して、支持基板１である導電性基板上に、少なくとも、第１のオーミック電極２、第１の接着用金属層２１、第２の接着用金属層２２、保護層３２、反射層３１、第２のオーミック電極３ならびに窒化物系化合物半導体層であるｐ型半導体層４、発光層５およびｎ型半導体層６が順次配置されている。ここで、保護層３２は第１の保護部分層３２ａおよび第２の保護部分層３２ｂの２つの保護部分層から構成されている。また、ｎ型半導体層６上に、透明電極７、パッド電極８およびボンディングワイヤ９が順次配置されている。

本実施形態の窒化物系化合物半導体発光素子において、支持基板１として用いられる導電性基板、第１のオーミック電極２、第２のオーミック電極３、第１の接着用金属層２１、第２の接着用金属層２２、および窒化物系化合物半導体層を形成する材料については、実施形態１と同様である。本実施形態においては、第１の保護部分層３２ａとしてはＰｄ層を形成し、第２の保護部分層３２ｂとしてはＡｕ層を形成する。

次に、本実施形態の発光素子の製造方法について以下に説明する。なお、以下に例示する各層の寸法は一例であって、所望する発光素子の特性に応じて適宜調整することができる。

まず、図６を参照して、厚さ１２０μｍの下地基板１０上に、ＧａＮ材料からなる厚さ２０ｎｍのバッファ層１１ならびに窒化物系化合物半導体層として厚さ５μｍのｎ型半導体層６、ＭＱＷ構造を有する厚さ５０ｎｍの発光層５および厚さ２００ｎｍのｐ型半導体層４を順次成長させる（窒化物系化合物半導体層の形成工程）。これらの層の形成には、ＭＯＣＶＤ法を用いることができる。ここで、下地基板１０としては、実施形態１と同様の基板を用いることができる。

次に、図６を参照して、ｐ型半導体層４上に、第２のオーミック電極３、反射層３１、保護層３２として第１の保護部分層３２ａおよび第２の保護部分層３２ｂ、ならびに第２の接着用金属層２２を順次蒸着により形成する（反射層、保護層および第２の接着用金属層の形成工程）。これらの層の形成には、ＥＢ法を用いることができる。

ここで、第２のオーミック電極３としては、厚さ３ｎｍのＰｄ層を形成することができる。また、反射層３１としては、厚さ１５０ｎｍのＡｇ層を形成することができる。反射層３１の保護層３２のうち、第１の保護部分層３２ａとして厚さ１０ｎｍのＰｄ層を、第２の保護部分層３２ｂとして厚さ１００ｎｍのＡｕ層を形成することができる。また、第２の接着用金属層２２としては、厚さ３μｍのＡｕ層を形成することができる。

次に、図７を参照して、支持基板１である導電性基板上に、第１のオーミック電極２および第１の接着用金属層２１をこの順で形成する（第１の接着用金属層の形成工程）。これらの層の形成には、ＥＢ法を用いることができる。ここで、支持基板１である導電性基板、第１のオーミック電極２、および第１の接着用金属層２１としては、実施形態１と同様の厚さおよび化学組成の層を形成することができる。

次に、図８を参照して、第２の接着用金属層２２と第１の接着用金属層２１とが接合するようにして接合させる（接合工程）。具体的な接合方法は、実施形態１と同様である。

次に、図８を参照して、下地基板１０およびバッファ層１１を除去する（下地基板の除去工程）。具体的な除去方法は、実施形態１と同様である。

次に、図５を参照して、実施形態１と同様にして、透明導電体電極７としてＩＴＯ層（具体的には、ＳｎドープＩｎ₂Ｏ₃層）、ボンディングパッド電極８としてｎ型ボンディングパッド電極（Ａｕ／Ｔｉ複合層）を形成する。

次に、図５を参照して、実施形態１と同様にして、所定の大きさにチップ化し、ボンディングパッド電極８上にボンディングワイヤ９をボールボンディングする。このようにして、図５に示す本実施形態の発光素子を製造することができる。

本実施形態で得られた発光素子を、大気（２５℃、室内）中に１０００時間放置しても反射層３１の反射率の低下はなく、高温高湿（６０℃、６０％ＲＨ）中に１０００時間放置しても反射層３１の反射率の低下もなかった。

以上のように、発光層５と支持基板１の間に反射層３１を形成し、その反射層３１の支持基板１側に隣接して保護層３２（第１の保護部分層３２ａおよび第２の保護部分層３２ｂ）を形成することにより、反射層の酸化抑制およびマイグレーション抑制が可能となり、反射層の反射率が低下を抑制できる。また、本実施形態の発光素子においては、反射層と反射層に隣接する層との間に剥がれ、めくれ、空洞などの発生が認められない。このため駆動電圧が低く、信頼性の優れた発光素子を提供することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明にかかる１つの発光素子を示す模式断面図である。本発明にかかる１つの発光素子の製造における窒化物系化合物半導体層の形成工程ならびに反射層、保護層および第２の接着用金属層の形成工程を示す模式断面図である。本発明にかかる１つの発光素子の製造における第１の接着用金属層の形成工程を示す模式断面図である。本発明にかかる１つの発光素子の製造における接合工程および下地基板の除去工程を示す模式断面図である。本発明にかかる他の発光素子を示す模式断面図である。本発明にかかる他の発光素子の製造における窒化物系化合物半導体層の形成工程ならびに反射層、保護層および第２の接着用金属層の形成工程を示す模式断面図である。本発明にかかる他の発光素子の製造における第１の接着用金属層の形成工程を示す模式断面図である本発明にかかる他の発光素子の製造における接合工程および下地基板の除去工程を示す模式断面図である。従来の典型的な発光素子を示す模式断面図である。

符号の説明

１支持基板、２第１のオーミック電極、３第２のオーミック電極、４，９５ｐ型半導体層、５，９４発光層、６，９３ｎ型半導体層、７透明電極、８パッド電極、９ボンディングワイヤ、１０下地基板、１１，９１バッファ層、２１第１の接着用金属層、２２第２の接着用金属層、３１反射層、３２保護層、３２ａ第１の保護部分層、３２ｂ第２の保護部分層、９０サファイア基板、９２第１の反射層、９６第２の反射層、９７ｐ側電極、９８ｎ側電極、１００，２００窒化物系化合物半導体発光素子。

Claims

発光層と、支持基板と、前記発光層と前記支持基板との間に形成された反射層と、前記反射層に隣接して配置され金属で形成されている保護層とを含む発光素子。
前記反射層は、銀または銀とネオジムとの合金から形成されている請求項１に記載の発光素子。
前記保護層は、金、白金、パラジウムおよびこれらの合金からなる群から選ばれる少なくとも１種類から形成されている請求項１または請求項２に記載の発光素子。
前記保護層の厚さが１ｎｍ以上３００ｎｍ以下である請求項１から請求項３までのいずれかに記載の発光素子。
前記保護層が、２つ以上の保護部分層から構成されている請求項１から請求項４までのいずれかに記載の発光素子。
１つ以上の窒化物系化合物半導体層を含む請求項１から請求項５までのいずれかに記載の発光素子。