JP2007067257A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 フリップチップ実装方式の発光素子において、光取り出し面から外部に放射される光は、厚いｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層での伝搬における光吸収が多いため、光取出し効率が低下するという問題があった。
【解決手段】 発光素子は、ｎ型層４００ｃ、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層４００ａ及びｐ型層４００ｂが積層された半導体層４００を有し、ｐ型層４００ｂ上に形成されたｐ側電極４０１と、ｐ型層４００ｂの一部をｎ型層４００ｃまで除去してなるｎ型層４００ｃの露出部に形成されたｎ側電極４０３とが設けられ、実装用基板にフリップチップ実装方式で実装されるとともに、半導体層４００のｎ型層４００ｃ側の主面から光が外部に放射される発光素子において、半導体層４００はｎ型層４００ｃ側の主面からｎ型層４００ｃの内部にかけて縦断面形状が楔状の凹部４０５が形成されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体層が複数積層された半導体層の一方の主面側にｐ側電極及びｎ側電極が形成されているとともに、半導体層の他方の主面側から発光した光を取り出すフリップチップ実装方式の発光素子に関する。

近年、紫外光領域から青色光あるいは緑色光までを発光可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子として、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が注目されている（例えば特許文献１〜５を参照）。このような窒化ガリウム系化合物半導体は、一般に絶縁性基板であるサファイア基板の上に成長されるため、サファイア基板の裏面に電極を設けることができず、結晶成長した半導体層の表面にｐ側電極とｎ側電極の両方を形成しなければならない。

図１に従来の発光素子の斜視図を示す。サファイア基板１００上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｎ型層ともいう）１０１、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層１０２及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｐ型層ともいう）１０３を、エピタキシャル成長させた後、エッチングによりｐ型層１０３の一部をｎ型層１０１まで除去した露出部を形成する。なお、ｎ型層１０１、発光層１０２及びｐ型層１０３を総称して半導体層という。このｎ型層１０１の露出部には、ワイヤーボンディングのためのｎ側電極１０４が設けられ、またｐ型層１０３のほぼ全面に透明電極１０５が形成されるとともに、透明電極１０５上にワイヤーボンディング用のｐ側電極１０６が設けられている。

上記構成においては、半導体層における光の取り出し方向は、透明電極１０５側の主面であるが、サファイア基板が発光波長に対して透明であることを利用し、サファイア基板側から光を取り出すこともできる。この場合、半導体層の透明電極１０５側の主面を外部の実装基板に対向させ、ｐ側電極１０６及びｎ側電極１０４を実装基板の配線導体等に導体バンプ等によって直接的に接続する、いわゆるフリップチップ実装方式を採用することによって、光を効率的に外部に取り出し発光効率を改善しているものが知られている（例えば特許文献６〜８を参照）。

図２に代表的なフリップチップ実装方式の発光素子の断面図を示す。透明なサファイア基板２００の一方の主面に、ｎ型層２０１、発光層２０２及びｐ型層２０３が積層されてなり、半導体層における反射率の高いｎ側電極２０４及びｐ側電極２０５が形成された主面を実装面（マウント面）として、実装基板等である支持体２０６に実装されている。この構成では、サファイア基板２００の半導体層と反対側の主面である表面２０７が光取り出し面として利用される。

発光層２０２で発光した光のうち支持体２０６側に向かう光２０８は、高い反射率を有するｐ側電極２０５によって反射され、順にｐ型層２０３、発光層２０２、ｎ型層２０１、サファイア基板２００を経て、表面（光取り出し面）２０７から外部に放射される。一方、サファイア基板２００側に向かって発光した光２０９は、順にｎ型層２０１、サファイア基板２００を経て、表面２０７から外部へ放出される。
特開平２−４２７７０号公報 特開平２−２５７６７９号公報 特開平５−１８３１８９号公報 特開平６−１９６７５７号公報 特開平６−２６８２５７号公報 特開平１４−３６８２６３号公報 特開平１４−５７３７３号公報 特開平１５−１７７５７号公報

しかしながら、ｎ型層２０１は、その上に積層する発光層２０２及びｐ型層２０３の結晶性を向上させるために、他の層よりも厚く積む必要があり、例えばｐ型層２０３に対して１５倍以上の厚みを要する。そのため、フリップチップ実装方式の発光素子において、光取り出し面から外部に放出される光は、この厚いｎ型層２０１を必ず通過してから外部に放射される。つまり、光取出し面２０７へ到達するまでの光路長は、電極側から取り出す場合に比べて格段に長くなるため、ｎ型層２０１での光吸収が多くなり、発光素子としての光取出し効率が低下するという問題がある。

さらに、サファイア基板２００の屈折率ｎ_１が約１．７８であるのに対し、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率ｎ_２は約２．５５と高いため、発光した光のうち、サファイア基板２００への入射角が臨界角θ_ｒの約４４°（θ_ｒ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_２））を超える角度で入射する光については、半導体層内部で全反射を繰り返す。従って、光は半導体層で吸収され、残った光が半導体層の端面から外部へ向かって放射される。このため、光取り出し面２０７から外部へ放射される光の量が減少し、発光効率が低下する。

したがって、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、光取り出し効率が従来よりも改善されたフリップチップ実装方式の発光素子を提供することである。

本発明の発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を含むとともにこの順でこれらの層が積層されている半導体層を有し、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたｐ側電極と、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層まで除去してなる前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の露出部に形成されたｎ側電極とが設けられており、前記ｐ側電極及び前記ｎ側電極が実装用基板の配線導体にフリップチップ実装方式で電気的に接続されるとともに、前記半導体層の前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層側の主面から光が外部に放射される発光素子において、前記半導体層は、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層側の主面から前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の内部にかけて縦断面形状が楔状の凹部が形成されていることを特徴とする。

本発明の発光素子は好ましくは、前記凹部は前記発光層の近傍にまで達していることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記ｐ側電極及び前記ｎ側電極は反射性電極であることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記半導体層は、透明基板上にエピタキシャル成長されて成ることを特徴とする。

また、本発明の発光素子は好ましくは、前記半導体層は、それをエピタキシャル成長させた基板が除去されているとともに、該基板よりも透明な支持体上に支持されていることを特徴とする。

本発明の発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を含むとともにこの順でこれらの層が積層されている半導体層を有し、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたｐ側電極と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の一部をｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層まで除去してなるｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の露出部に形成されたｎ側電極とが設けられており、ｐ側電極及びｎ側電極が実装用基板の配線導体にフリップチップ実装方式で電気的に接続されるとともに、半導体層のｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層側の主面から光が外部に放射される発光素子において、半導体層は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層側の主面からｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の内部にかけて縦断面形状が楔状の凹部が形成されていることから、従来、半導体層と基板及び電極との界面で全反射を繰り返して半導体層の端面から外部へ放射されていた横方向へ向かう光が、凹部の内側面に当たることによって、半導体層の光取り出し面（電極と反対側の主面）側へ反射し、さらに隣接する凹部の内側面に当たって再び反射するという現象を繰り返して、縦方向に伝搬する光となる。そして、光は最終的に光取り出し面から外部へと効率よく放射されるので、発光素子の発光効率が向上する。

本発明の発光素子は好ましくは、凹部は発光層の近傍にまで達していることから、発光層で発光した光が横方向に伝わることを極力防止することができ、光取出し効率をさらに改善することができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、ｐ側電極及びｎ側電極は反射性電極であることから、ｐ側電極及びｎ側電極を発光波長に対して高い反射率を有する反射性電極として、光取出し効率をさらに改善することができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、半導体層は、透明基板上にエピタキシャル成長されて成ることから、発光層で発光した光のうち電極側に伝搬する光は、反射性電極で透明基板側に反射され、光取り出し面から効率よく外部に放射させることができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、半導体層は、それをエピタキシャル成長させた基板が除去されているとともに、基板よりも透明な支持体上に支持されていることから、基板除去前よりも光取り出し効率がさらに向上するだけでなく、例えばサファイア基板のような、窒化ガリウム系化合物半導体と熱伝導率や熱膨張係数などの物性が大きく異なる基板よりも、これらの物性値がより近い材料からなる基板を選択できるので、信頼性の高い発光素子を作製できる。

以下、本発明の発光素子について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図４は、本発明の発光素子の実施の形態の一例を示す斜視図であり、紙面手前の部分は発光素子の断面を示す図としている。図４において、４００は半導体層であり、４００ａは発光層、４００ｂは第１導電型（例えばｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｐ型層ともいう）、４００ｃは第２導電型（例えばｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層（以下ｎ型層ともいう）、４０１はｐ側電極、４０２はｐ側パッド電極、４０３はｎ側電極、４０４はｎ側パッド電極である。

本発明の発光素子は、ｎ型層４００ｃ、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層４００ａ及びｐ型層４００ｂを含むとともにこの順でこれらの層が積層されている半導体層４００を有し、ｐ型層４００ｂ上に形成されたｐ側電極４０１と、ｐ型層４００ｂの一部をｎ型層４００ｃまで除去してなるｎ型層４００ｃの露出部に形成されたｎ側電極４０３とが設けられており、ｐ側電極４０１及びｎ側電極４０３が実装用基板の配線導体にフリップチップ実装方式で電気的に接続されるとともに、半導体層４００のｎ型層４００ｃ側の主面から光が外部に放射される発光素子において、半導体層４００は、ｎ型層４００ｃ側の主面からｎ型層４００ｃの内部にかけて縦断面形状が楔状の凹部４０５が形成されている。

上記の構成により、図３に示すように、従来、半導体層と基板や電極との界面で全反射を繰り返して半導体層の端面から外部へ放射されていた横方向へ向かう光３００が、凹部３０１の内側面に当たることによって、半導体層の光取り出し面（電極と反対側の主面）側へ反射し、さらに隣接する凹部の内側面に当たって再び反射するという現象を繰り返して、縦方向に伝搬する光３０２となる。そして、光３０２は最終的に光取り出し面から外部へと効率よく放射されるので、発光素子の発光効率が向上する。

半導体層４００は、発光層４００ａをｐ型層４００ｂ及びｎ型層４００ｃで挟んだものとしている。また、ｐ型層４００ｂ及びｎ型層４００ｃは、それぞれ発光層４００ａ側にインジウム（Ｉｎ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含有する複数層（図示せず）を積層したものとしてもよく、エネルギーバンドギャップ幅が発光層４００ａよりも広くなるように組成をそれぞれ制御できる。

具体的には、ｎ型層４００ｃはＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｌ_ｘＮ（ただし、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｘ＞０、ｙ≧０）等であり、ｐ型層４００ｂはＧａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｉｎ_ｙ’Ａｌ_ｘ’Ｎ（ただし、０＜ｘ’＋ｙ’＜１、ｘ’＞０、ｙ’≧０）等であり、発光層４００ａはＧａ_{１−ｘ”−ｙ”}Ｉｎ_ｙ”Ａｌ_ｘ”Ｎ（ただし、０＜ｘ”＋ｙ”＜１、ｘ”＞０、ｙ”≧０）等である（ただし、ｘ，ｘ’＞ｘ”，ｙ，ｙ’≦ｙ”）。

また、発光層４００ａは、エネルギーバンドギャップ幅の広い障壁層と、エネルギーバンドギャップ幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が、複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい（図示せず）。なお、ｐ型層４００ｂ及びｎ型層４００ｃは、それぞれｎ型層及びｐ型層としても構わない。

ｐ側電極４０１及びｎ側電極４０３は、反射性電極であることが好ましく、この場合発光層４００ａで発生した光を損失なく反射し、それぞれｐ層４００ｂ及びｎ型４００ｃと良好なオーミック接続がとれる材質から成るとともに、表面が滑らかな層状のものを用いる。そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），インジウム（Ｉｎ），錫（Ｓｎ），モリブデン（Ｍｏ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ニオブ（Ｎｂ），タンタル（Ｔａ），バナジウム（Ｖ），白金（Ｐｔ），鉛（Ｐｂ），ベリリウム（Ｂｅ），酸化錫（ＳｎＯ_２），酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３），酸化インジウム錫（ＩＴＯ），金−シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ合金），金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ合金），金−亜鉛合金（Ａｕ−Ｚｎ合金），金−ベリリウム合金（Ａｕ−Ｂｅ合金）等を用いればよい。中でも、アルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）は、半導体層４００の発光層４００ａが発光する青色光〜紫外光領域の光に対して反射率が高いので好適である。また、アルミニウム（Ａｌ）は、ｎ型層４００ｃとのオーミック接合の点でも特に好適である。また、ｐ側電極４０１及びｎ側電極４０３は、上記材料の中から選択した複数層を積層させたものとしても構わない。

また、ｐ側電極４０１及びｎ側電極４０３上には、それぞれ外部との電気的接続をとるための導線等を接続するｐ側パッド電極４０２とｎ側パッド電極４０４が設けられている。両パッド電極は、例えばチタン（Ｔｉ）層、またはチタン（Ｔｉ）層を下地として金（Ａｕ）層を積層したものを用いればよい。

ｎ型層４００ｃに設けられる凹部４０５は、例えばサファイア基板上に半導体層４００、ｐ側電極４０１、ｎ側電極４０３、ｐ側パッド電極４０２及びｎ側パッド電極４０４を形成し、サファイア基板と半導体層４００の一部をレーザ照射により溶融することで、サファイア基板を半導体層４００から除去し、その後、反応性イオンエッチング等を利用して、発光層４００ａ付近の深さまでエッチングを行うことによって形成される。

上記構成によれば、ｐ側電極４０２とｎ側電極４０３とに順方向バイアス電圧を印加することによって半導体層４００にバイアス電流を流すと、発光層４００ａで紫外光〜近紫外光の光が発生し、この発生した光が凹部４０５の内側面に当たることによって反射を繰り返し、半導体層４００の縦方向（厚み方向）に伝搬することとなる。その結果、従来半導体層４００の端面から外部に漏れていた光が格段に抑えられ、光取り出し面（半導体層４００の電極と反対側の主面）から外部へ効率よく放射される。そのため、光の取り出し効率が飛躍的に向上するとともに、発光層４００ａで発生した光のうち電極側に放射される光は、ｐ側電極４０１及びｎ側電極４０３で損失なく反射され、光取り出し面側に効率よく集められる。

以上のように、本発明によれば、光取り出し効率が大幅に改善された高性能な発光素子を提供することができる。

本発明において、凹部４０５は、半導体層４００のｎ型層４００ｃ側の主面における開口形状（凹部４０５の横断面形状）が、三角形、円形、楕円形、四角形、五角形以上の多角形等の種々の形状となるようにし得るが、凹部４０５の内側面で全反射し、半導体層４００の縦方向に伝搬する光の量が最も多くなる点で円形が好ましい。

また、凹部４０５は、縦断面形状が楔状であるが、立体的には図４に示すように逆錐形状（下端側が先細りとなった形状）である。

さらには、凹部４０５は、図４の形状と逆の形状、即ち錐形状（下端側が先太りとなった形状）であってもよい。その場合、凹部４０５の内側面で反射された光は、光取り出し面側へより効率的に伝搬されることとなる。

また、半導体層４００のｎ型層４００ｃ側の主面における凹部４０５の個数密度は、１０００個／ｍｍ^２〜２００００個／ｍｍ^２がよく、１０００個／ｍｍ^２未満では、横方向（厚みと垂直な方向）に伝搬する光の反射が十分に得られない。２００００個／ｍｍ^２を超えると、ｎ側電極４０３から供給された電流のうち、凹部４０５で遮られる電流の割合が増加してしまうため、均一な電流分布が得られず発光効率が低下する。

また、凹部４０５は、半導体層４００のｎ型層４００ｃ側の主面を平面視した場合、その主面の中心領域よりも外周領域において密に（個数密度が高密度に）なるように形成されていることが好ましい。この場合、半導体層４００内部で横方向に向かう光は、ｎ型層４００ｃの外周部でより反射され易くなり、半導体層４００の端面から外部に漏れる光を効果的に抑制することができる。

また、半導体層４００のｎ型層４００ｃ側の主面に対する凹部４０５の内側面の傾斜角度は０°〜５０°がよく、５０°を超えると、凹部４０５の個数密度が不十分に確保できない。

また、半導体層４００のｎ型層４００ｃ側の主面における凹部４０５の開口の大きさは、３μｍ〜６μｍ程度がよく、３μｍ未満では、横方向（厚みと垂直な方向）に伝搬する光の反射が十分に得られず、６μｍを超えると、凹部４０５の個数密度が不十分に確保できない。

本発明の発光素子において、好ましくは、凹部４０５は発光層４００ａの近傍にまで達していることがよい。この場合、凹部４０５の最深部（下端）と発光層４００ａとの間の間隔は３００μｍ〜５００μｍ程度であることがよい。そして、この構成により、発光層４００ａで発光した光が横方向に伝わることを極力防止することができ、光取出し効率をさらに改善することができる。

また、本発明の発光素子において好ましくは、半導体層４００は、サファイア等からなる透明基板上にエピタキシャル成長されて成る構成とすることができる。この場合、発光層４００ａで発光した光のうち電極側に伝搬する光は、反射性電極であるｐ側電極４０１及びｎ側電極４０３で透明基板側に反射され、光取り出し面から効率よく外部に放射させることができる。

また、本発明の発光素子は好ましくは、図５に示すように、半導体層４００は、それをエピタキシャル成長させたＺｒＢ_２等の基板が除去されているとともに、基板よりも透明なＧａＮまたはＳｉＣ等の支持体４０６上に支持されている構成とすることができる。この場合、基板除去前よりも光取り出し効率がさらに向上するだけでなく、例えばサファイア基板のような、窒化ガリウム系化合物半導体と熱伝導率や熱膨張係数などの物性が大きく異なる基板よりも、これらの物性値がより近い材料からなるＺｒＢ_２等の基板を選択できるので、信頼性の高い発光素子を作製できる。

なお、本発明は、以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更、改良を施すことは何等差し支えない。

従来の発光素子を示す斜視図である。 従来のフリップチップ実装方式の発光素子を示す断面図である。 本発明の発光素子について実施の形態の一例を示し、光の伝搬方向を説明する断面図である。 本発明の発光素子について実施の形態の一例を示す斜視図である。 本発明の発光素子について実施の形態の他例を示す断面図である。

符号の説明

４００：半導体層
４００ａ：発光層
４００ｂ：ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層
４００ｃ：ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層
４０１：ｐ側電極
４０３：ｎ側電極
４０５：凹部
４０６：支持体

Claims (5)

1. ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光層及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を含むとともにこの順でこれらの層が積層されている半導体層を有し、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成されたｐ側電極と、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層まで除去してなる前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の露出部に形成されたｎ側電極とが設けられており、前記ｐ側電極及び前記ｎ側電極が実装用基板の配線導体にフリップチップ実装方式で電気的に接続されるとともに、前記半導体層の前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層側の主面から光が外部に放射される発光素子において、前記半導体層は、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層側の主面から前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の内部にかけて縦断面形状が楔状の凹部が形成されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記凹部は前記発光層の近傍にまで達していることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
3. 前記ｐ側電極及び前記ｎ側電極は反射性電極であることを特徴とする請求項１または２記載の発光素子。
4. 前記半導体層は、透明基板上にエピタキシャル成長されて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の発光素子。
5. 前記半導体層は、それをエピタキシャル成長させた基板が除去されているとともに、該基板よりも透明な支持体上に支持されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の発光素子。
   
   

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