JP2007067198A

JP2007067198A - 発光素子

Info

Publication number: JP2007067198A
Application number: JP2005251833A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kinoshita; 順一木下
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】発光層が出射した光の金属層による遮蔽を防ぐとともに、出射した光の外部との界面における全反射が繰り返し生じることを防ぐ。
【解決手段】LEDの光取り出し側の半導体層上面と反対側の半導体層の下面にGaAIP層４０を介して接続される金属層１３１上面の複数箇所に、酸化膜１５１を設け平坦な反射面をもつ非アロイ領域を形成するとともに、光取り出し側の半導体層上面に接続される円形の電極２０１に酸化膜１５０による反射面をもつ非アロイ領域を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光層により光を発する発光素子に関し、特に、高い効率で光を取り出すための技術に関する。

発光素子の代表例としてLED(Light Emitting Diode)がある。従来のLEDにおける半導体発光素子の基本構造は次のものである。

LEDは、p型クラッド層およびn型クラッド層と、これらのクラッド層に挟まれたバンドギャップを有する発光層とからなる層構造を基本とする。そして、各クラッド層に対して電極から電流を流せるようになっている。

図６の斜視図に示すAllnGaP/GaAs系可視光LEDを例に説明する。同図のLEDは、n型GaAs基板１上に、n型(Al_xGa_1-x)_0.5ln_0.5Pクラッド層１０(0<x<1)、それよりバンドギャップの小さいアンドープ(Al_yGa_1-y)_0.5ln_0.5P活性層（発光層）２０(0<y<1, y<x)、p型(Al_xGa_1-x)_0.5ln_0.5Pクラッド層３０を結晶成長させた構造を有する。ここでは、異なる組成の半導体界面が二つあることから、この構造をダブルへテロ構造と称する。この構造に対して性能を向上させるために種々の層を追加することも多いが、ここでは上記の必要最小限の基本的な構造を用いて説明する。

最上部のp側には、ワイヤ５００とのボンディングのための円形の金属層が電極１００として設けられる。この電極１００の詳細な構成について図７の断面図を用いて説明する。電極１００の最下層はAu-Zn(金−亜鉛)アロイ層１１０であり、下地の半導体層であるクラッド層３０との良好なオーミック性接触を得るためのアロイ層となる。アロイ化は高温処理（シンター工程）で行う。Au-Znアロイ層１１０の上には、その上層のAu(金)による厚いボンディングパッド層１３０とAu-Znアロイ層１１０との結合を強固にするための薄いTi(チタン)層１２０が挿入される。

n型GaAs基板１の底面には電極２００が全面に形成される。この電極２００の詳細な構成について図８の断面図を用いて説明する。基本的な構成は電極１００と同様であるが、電極２００では、Au-Ge(金−ゲルマニウム)層２１０がn型GaAs基板１とのオーミックコンタクトのためのアロイ層であり、その下面にNi(ニッケル)層２２０を介してAu(金)による厚い金属層２３０が設けられている。

上記構成のLEDでは、色を決定する発光波長は活性層のAlの組成yによって決まり、yの値が少ないほど赤色になる。このため、ｙの値を調整することにより赤色から緑色の可視光を発光することが可能である。

発光の方向は、活性層２０の面全体から３６０度の方向となる。しかし、クラッド層を含む素子の屈折率nは、一般に３を超え、空気の屈折率(n=1)や封止材の透明エポキシの屈折率(n=1.5)よりかなり高い。したがって、発光素子と外部との界面の臨界角より大きな角度で出射された光は界面で全反射して内部に戻ってしまう。内部に戻った光は、吸収率の高いn型GaAs基板１に吸収されるため、結果として発光素子からはごく一部の光しか取り出せないことになる。

また、円形の電極１００も活性層２０から出射された光をブロックするので、光の取り出し効率をさらに落とすことになる。

光の取り出し効率を改善するため、まだチップに切り出す前のウェーハの状態で透明な基板を成長層の上に直接貼り付けてからGaAs基板を選択的に除去する透明基板タイプのLEDや、ウェーハ同士を直接貼り付けるのではなく、その間に高反射率の金属層を挿入してから両者を貼り付け、その後にGaAs基板を選択的に除去するメタルボンド(MB:Metal Bond)タイプのLEDがある。

透明基板タイプは、基板が透明なので発光素子の側面からの光出射の効率が上がる。また、メタルボンドタイプは、高反射率の金属層によって反射した光を外部に取り出せるので、これも光出射の効率が上がる。

しかしながら、透明基板タイプもメタルボンドタイプも、ワイヤボンディング側の電極１００としての金属層が依然として光を遮るため、十分な光取り出し効率が得られない。また、外部との界面で全反射により内部に戻ってきた光は、内部で反射されても出射角が変わらず、全反射により再び内部に戻ってしまうという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、出射した光の金属層による遮蔽を防ぐとともに、外部との界面における全反射が繰り返し生じることを防ぐことにある。

本発明に係る発光素子は、オーミック性接触による電極機能をもつ金属層をその上下に有する発光素子において、前記上下の両金属層ともに、オーミック性接触を得るためのアロイ領域の他に、高反射を得るためのスムーズな面を有する非アロイ領域をもつことを特徴とする。

本発明にあっては、発光素子の光取り出し側の金属層に反射面をもつ非アロイ領域を設けたことで、光取り出し側の金属層に向かう光を反射面で反射させ、この金属層による光の遮蔽を防ぐ。また、光取り出し側とその反対側のそれぞれに設けた反射面により、外部との界面で全反射して内部へ戻った光を反射させて出射角を変更させ、全反射の繰り返しを防ぐ。

本発明によれば、発光層が出射した光が金属層で遮蔽されることを防ぐとともに、出射した光の外部との界面における全反射が繰り返し生じることを防ぐことができる。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における発光素子の構成を示す断面図である。ここでは、メタルボンドタイプのLED（以下「MB-LED」という）をその基本構成とする。n型(Al_xGa_1-x)_0.5ln_0.5Pクラッド層１０(0<x<1)、アンドープ(Al_yGa_1-y)_0.5ln_0.5P活性層（発光層）２０(0<y<1, y<x)、p型(Al_xGa_1-x)_0.5ln_0.5Pクラッド層３０、p型GaAIP層４０、がこの順で積層されたダブルへテロ層構造が、金(Au)による金属層１３１を介して下地のp型GaP基板２に貼り合わされている。p型GaAIP層４０は、透明層を厚くして効率を上げるために付加される層である。

ダブルへテロ構造の上部のｎ側には、ワイヤ５００にボンディングするための円形の電極２０１が設けられる。この電極２０１は、Au-Ge(金-ゲルマニウム)層２１１、Ni(ニッケル)層２２１、Au(金)による厚い金属層２３１によって多層構造に形成されている。このAu-Ge層２１１は、その下面における外周部ではオーミック性接触によってクラッド層１０の上面と接触しておりアロイ領域を形成している。一方で、電極２０１の下面中央部では酸化膜１５０によって反射面が形成されており、これにより非アロイ領域を形成している。この非アロイ領域が本実施の形態における特徴的な部分である。

ダブルへテロ構造の下部のｐ側では、p型GaAIP層４０の下面に対して金属層１３１がオーミック性接触をしており、この接触部分はAu-Znアロイ層１１１によりアロイ領域を形成している。一方で、オーミック性接触していない金属層１３１上面の複数箇所に酸化膜１５１が設けられ、オーミック性接触によるアロイ領域を避けて平坦化された反射面（ミラー面）の非アロイ領域が複数箇所形成されている。

p型GaP基板２の下面に配置されるp側の電極３００では、p型GaP基板２から下方へ向けてAu-Znアロイ層、Ti層、Au(金)による厚い層がこの順に形成される。

上記の構成により、活性層２０から光取り出し側へ向けて出射された光は、円形の電極２０１の下面中央部に設けられた酸化膜１５０による反射面によって反射されるので、電極２０１で遮蔽されることがない。また、ここで反射した光や活性層２０から光取り出し側と反対側へ出射した光は、金属層１３１の上面に設けられた酸化膜１５１による反射面で反射して、電極２０１の外側から外部に出射される。また、外部との界面で全反射して内部へ戻った光は、金属層１３１あるいは電極２０１の反射面によって反射されて出射角が変更され、電極２０１の外側から外部に出射される。

次に、本実施の形態における発光素子の製造方法について説明する。

まず、図２の断面図に示すように、n型GaAs基板１上に、n型(Al_xGa_1-x)_0.5ln_0.5Pクラッド層１０(0<x<1)、アンドープ(Al_yGa_1-y)_0.5ln_0.5P活性層２０(0<y<1, y<x)、p型(Al_xGa_1-x)_0.5ln_0.5Pクラッド層３０、およびp型GaAIP層４０を結晶成長させたダブルへテロ構造を形成する。そしてその上に酸化膜１５１を堆積させる。この酸化膜１５１を一定のパターンに加工し、酸化膜１５１同士の間隙にAu-Znアロイ層１１１を形成する。この形成には適当なレジストとリフトオフ法を用いる。この上には、Au(金)による厚い金属層１３１を全面に形成する。この形成は、結合を強固にするために薄いTi(チタン)層を介して行う。

次に、図３の模式図に示すように、金属層１３１を全面に形成したウェーハを上下逆さにし、これを、Au-Znアロイ層、薄いTi層、Au(金)による厚い金属層１３１が下方からこの順で上面全体に形成されたp型GaP基板２上に、金属層１３１同士の部分で融着させる。その後、n型GaAs基板１のみを選択的にエッチング除去する。

次に、ワイヤ５００とのボンディング用の円形の電極２０１を作るため、まず、クラッド層１０上に酸化膜１５０を堆積させる。そして、この酸化膜１５０を円形に加工し、その周辺部にAu-Ge層２１１を中抜き円形となるように形成する。この形成には適当なレジストとリフトオフ法を用いる。そして、これらAu-Ge層２１１および酸化膜１５０をカバーするように、これらの上にAuによる厚い金属層２３１を形成する。この形成は、結合を強固にするために薄いNi層２２１を介して行う。このようにして、本実施形態の発光素子が製造される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、発光素子の光取り出し側の電極２０１に酸化膜１５０による反射面をもつ非アロイ領域を設けたことで、この電極２０１に向かう光が電極２０１によって遮蔽されることを防ぐことができ、光取り出し効率を向上させることができる。

本実施の形態によれば、光取り出し側と反対側の金属層１３１にも酸化膜１５１によって平坦化した反射面をもつ非アロイ領域があるので、電極２０１の反射面で反射した光や活性層２０から光取り出し側と反対側へ出射した光は、この酸化膜１５１による反射面で反射して、電極２０１の外側から外部に出射されるので、光取り出し効率を向上させることができる。

本実施の形態によれば、外部との界面で全反射して内部へ戻った光は、電極２０１あるいは金属層１３１の反射面によって反射されて出射角が変更され、電極２０１の外側から外部に出射されるので、光取り出し効率を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態における発光素子の構成を示す断面図である。同図の発光素子は、図１の発光素子に対して、円形の電極２０１側の酸化膜１５０による反射面を緩やかな球面の凸面反射鏡とし、金属層１３１側の各酸化膜１５１による反射面をそれぞれ緩やかな球面の凹面反射鏡とした構成である。なお、図４においては、その他の図１と同一物には同一の符号を付すものとして、ここでは重複した説明は省略する。

上記の構成とすることで、凸面反射鏡は、活性層２０から電極２０１に向かう光を電極２０１の外側へ向けて効率良く反射することができる。また、凹面反射鏡は、凸面反射鏡で反射して金属層１３１へ向かう光あるいは活性層２０から金属層１３１に向かう光を、全反射を起こす臨界角とは異なる角度で反射することができる。

凸面反射鏡および凹面反射鏡の製造では、酸化膜１５０，１５１のパターンを形成する際に、サイドエッチを利用する。ここでは、レジストとの界面でサイドエッチが大きくなる条件のものを利用する。サイドエッチ量のコントロールが難しい場合には、エッチングレートは異なるが屈折率の近い二種類の酸化膜を堆積させる。このとき、レジスト側にエッチングレートの速い酸化膜を配置すれば、サイドエッチ量をコントロールしやすくなる。また、レジストをレンズ状に堆積し、イオンミリングを行ってレジストのパターンを酸化膜に転写するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、円形の電極２０１側の酸化膜１５０による反射面を凸面反射鏡としたことで、活性層２０から電極２０１に向かう光を電極２０１の外側へ向けて効率良く反射でき、また、金属層１３１側の各酸化膜１５１による反射面を凹面反射鏡としたことで、金属層１３１へ向かう光を、全反射を起こす臨界角とは異なる角度で反射でき、もって第１実施形態よりもさらに効率的に光を取り出すことができる。

なお、本実施の形態においては、凸面反射鏡と凹面反射鏡の双方を用いることとしたが、凸面反射鏡あるいは凹面反射鏡のいずれか一方だけとしてもよい。この場合も、相応の効果を期待することができる。

［第３の実施の形態］
図５は、第３の実施の形態における発光素子の構成を示す断面図である。同図の発光素子は、図１の発光素子に対して、電極２０１側の酸化膜１５０による反射面を複数の凸部を並べた凸面反射鏡とし、金属層１３１側の各酸化膜１５１による反射面をそれぞれ複数の凹部を並べた凹面反射鏡とした構成である。なお、図５においては、その他の図１と同一物には同一の符号を付すものとして、ここでは重複した説明は省略する。

第２の実施の形態においては、凸面反射鏡および凹面反射鏡をそれぞれ緩やかなカーブによる球面とした。これは、急峻なカーブとすると、カーブの落差が大きくなって全体的に厚くなるためであり、また平均的な平坦性が悪化してしまうためである。

そこで、本実施の形態では、凸面反射鏡には複数の凸部を並べて配置するとともに、凹面反射鏡には複数の凹部を並べて配置することで、厚化と平坦性悪化を抑制しつつ、それぞれの凸部および凹部に急峻なカーブのものを採用可能とした。これによって、凸面反射鏡および凹面反射鏡は、第２実施形態よりも光を電極２０１の外側へ向けてさらに効率的に反射することができる。

第１の実施の形態における発光素子の構成を示す断面図である。上記発光素子を製造する際の第１工程を示す断面図である。上記発光素子を製造する際の第２工程を示す模式図である。第２の実施の形態における発光素子の構成を示す断面図である。第３の実施の形態における発光素子の構成を示す断面図である。従来の発光素子の構成を示す斜視図である。従来の発光素子の光取り出し側に設置された円形電極の構成を示す断面図である。従来の発光素子の光取り出し側と反対側に設置された電極の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…n型GaAs基板
２…p型GaP基板
１０…n型(Al_xGa_1-x)_0.5ln_0.5Pクラッド層
２０…アンドープ(Al_yGa_1-y)_0.5ln_0.5P活性層
３０…p型(Al_xGa_1-x)_0.5ln_0.5Pクラッド層
４０…p型GaAIP層
１００…p側の円形の電極
１１０…Au-Znアロイ層
１１１…Znアロイ層
１２０…Ti層
１３０…ボンディングパッド層
１３１…Auによる金属層
１５０，１５１…酸化膜
２００…n側の電極
２０１…n側の円形の電極
２１０，２１１…Au-Ge層
２２０，２２１…Ni層
２３０，２３１…Auによる金属層
３００…電極
５００…ワイヤ

Claims

オーミック性接触による電極機能をもつ金属層をその上下に有する発光素子において、
前記上下の両金属層ともに、オーミック性接触を得るためのアロイ領域の他に、高反射を得るためのスムーズな面を有する非アロイ領域をもつことを特徴とする発光素子。
光取り出し側の非アロイ領域における反射面が単一もしくは複数の凸面反射鏡になっていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
光取り出し側と反対側の非アロイ領域における反射面が単一もしくは複数の凹面反射鏡になっていることを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子。
光取り出し側の金属層は、ワイヤに対してボンディングされる所定形状を有し、かつアロイ領域が外周部にあり、非アロイ領域がその内側にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子。
前記反射面は、金属層の表面に酸化膜が形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発光素子。