JP2007096116A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 保護膜と透明電極層との屈折率差による光取出し性の低下を改善し、高輝度化を図ることのできる発光素子を提供する。
【解決手段】 透明電極１５の表面に屈折率の大なる保護膜１７（ｎ＝１．６５）を有し、その表面に保護膜１７より屈折率の小なる保護膜１８（ｎ＝１．４７）を設けることで、層間の屈折率差および保護膜１８と素子外との屈折率差を小にでき、ｐ−ＧａＮ層１４から透明電極１５を介して保護膜１７に入射する光の界面反射を抑え、さらに保護膜１７から保護膜１８を介して外部放射される光の外部との界面における反射を低減することができる。そのため、ＭＱＷ１３での発光に基づく光を外部に効率良く放射できるようになり、高輝度化を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体層を積層して形成された発光素子、より詳しくはＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物半導体層が積層された発光素子に関し、特に、保護膜と透明電極層との屈折率差による光取出し性の低下を改善し、高輝度化を図ることのできる発光素子に関する。

従来、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物系半導体材料を下地基板であるサファイア基板上に結晶成長させて半導体層を形成することにより、紫外から可視領域で発光する半導体発光素子（以下、「発光素子」という。）が知られている。

このような発光素子において、半導体層に電圧を印加するためのｎ側およびｐ側の電極を半導体層側に形成し、電極形成部以外の部分をＳｉＯ_２等の保護膜で覆う構成が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載される発光素子は、ｐ型半導体層上にＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等からなる透明電極層を形成した後、フォトレジストを設けてエッチングを行うことによりｎ型半導体層を露出させ、このｎ型半導体層の露出部を含む発光素子表面にＳｉＯ_２等の保護膜を設けたものである。

特許文献１に記載される発光素子によると、保護膜を設けることによる発光素子の保護と、マイグレーション現象による絶縁性の低下を抑制することができる。
特開２００５−１９９４５号公報（[００３０]〜[００３５]、図１）

しかし、特許文献１の発光装置によると、一般に透明電極層と保護膜との屈折率差が大であるため、発光素子の半導体層側から光を取出すにあたって、透明電極層と保護膜との界面における全反射によって保護膜側に取り出せる光が制限されてしまうという問題がある。例えば、透明電極層がＩＴＯ（ｎ≒２．０）で形成され、保護膜がＳｉＯ_２（ｎ≒１．５）である場合、保護膜側に取り出せる光は２５％程度に制限されてしまう。

従って、本発明の目的は、保護膜と透明電極層との屈折率差による光取出し性の低下を改善し、高輝度化を図ることのできる発光素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層との間に発光する層を含む半導体積層構造部と、前記半導体積層構造部の表面に設けられる透明電極と、前記透明電極上に設けられて第１の屈折率を有する光透過性の第１の保護膜と、前記第１の屈折率より小なる第２の屈折率を有して前記第１の保護膜上に設けられる第２の保護膜とを有する発光素子を提供する。

このような構成によれば、透明電極と第２の保護膜との間に第１の保護膜を設けることで、隣接する部材との屈折率差を小にでき、屈折率差に起因して部材界面で生じる界面反射を抑制することができる。

また、本発明は、上記目的を達成するため、第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層との間に発光する層を含む半導体積層構造部と、前記半導体積層構造部の表面に設けられる透明電極と、前記透明電極上に設けられて第１の屈折率を有するとともに表面が粗面化された粗面部を有する光透過性の第１の保護膜と、前記第１の屈折率より小なる第２の屈折率を有して前記第１の保護膜上に設けられる第２の保護膜とを有する発光素子を提供する。

このような構成によれば、透明電極と第２の保護膜との間に第１の保護膜を設けることで、隣接する部材との屈折率差を小にするとともに、第１の保護膜に設けた粗面部の光拡散性に基づいて光入射角の制約を構造的に低減できるので、第２の保護膜への光入射性が高められる。

本発明の発光素子によれば、保護膜と透明電極層との屈折率差による光取出し性の低下を改善し、高輝度化を図ることができる。

［第１の実施の形態］
（発光素子１の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。

この発光素子１は、フェイスアップ型の発光素子として窒化物半導体材料をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法に基づいてサファイア基板１０上に結晶成長させることにより形成されており、サファイア基板１０上には低温成長のＡｌＮバッファ層１１と、シリコン（Ｓｉ）ドープのｎ−ＧａＮ層１２と、発光する層としてＩｎＧａＮ層１３０とＧａＮ障壁層１３１とが交互に積層されて形成されたＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）１３と、マグネシウム（Ｍｇ）ドープのｐ−ＧａＮ層１４と、ＩＴＯからなる透明電極１５と、ＳＯＧ（Spin On Glass）からなる保護膜１７と、ＳｉＯ_２からなる保護膜１８とを有し、さらにｐ−ＧａＮ層１４の表面にはｐ側電極としてのパッド電極１６と、ｐ−ＧａＮ層１４からｎ−ＧａＮ層にかけての半導体層をエッチングにより除去することで露出させたｎ−ＧａＮ層１４に設けられるｎ側電極１９とを有し、ｎ−ＧａＮ層１２からｐ−ＧａＮ層１４にかけて屈折率２．４の半導体積層構造部を構成している。

ＭＱＷ１３は、３層のＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０と、２層のＧａＮ障壁層１３１とを交互に積層した６層構造を有する。

保護膜１７は、透明電極１５の屈折率より小なる屈折率を有するとともに、光取出し側に形成される保護膜１８の屈折率よる大なる屈折率を有するように形成されている。

以下に、第１の実施の形態に係る発光素子の製造方法を説明する。

まず、ウエハー状のサファイア基板１０を有機洗浄の後、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置内の成長炉のサセプタ上に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給して１２００℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板１０上の表面に付着していた炭化水素ガスがある程度取り除かれる。

次に、サファイア基板１０の温度を４００℃程度まで降温し、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）及びＮＨ_３（アンモニア）を供給してサファイア基板１０上に５０ｎｍ程度の膜厚のＡｌＮバッファ層１１を形成する。

次に、ＴＭＡの供給を止め、基板温度を１０００℃まで上げ、ＮＨ_３、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＳｉＨ_４（シラン）を供給してキャリア濃度５×１０^１８／ｃｍ^３のｎ−ＧａＮ層１２を形成する。

次に、サファイア基板１０にＮＨ_３、ＴＭＧ、及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）を供給して膜厚３０ÅのＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０を形成する。

次に、サファイア基板１０にＮＨ_３及びＴＭＧを供給して１７０Åの膜厚のＧａＮ障壁層１３１を形成する。

次に、上記したＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０及びＧａＮ障壁層１３１の成長条件に基づいて合計３層のＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０と合計２層のＧａＮ障壁層１３１より成るＭＱＷ１３を形成する。

次に、サファイア基板１０にＴＭＡ，ＴＭＧ、ＮＨ_３、及びＣｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタディエニルマグネシウム）を供給して膜厚２００Åのマグネシウムドープのｐ−ＧａＮ層１４を形成する。

次に、所定のエッチャントを使用して、ｐ−ＧａＮ層１４、ＭＱＷ１３、及びｎ−ＧａＮ層１２の一部を除去してｎ−ＧａＮ層１２を露出させる。

次に、ｐ−ＧａＮ層１４の表面にスパッタリングによって屈折率２．０のＩＴＯを付着させることにより透明電極１５を形成する。

次に、透明電極１５の表面にＡｕからなるパッド電極１６をパターン形成する。

次に、エッチャントで露出させたｎ−ＧａＮ層１２の表面にスパッタリングによってバナジウムおよびアルミニウム合金からなるｎ側電極１９を形成する。

次に、屈折率１．６５のラダー型ポリシルセスキオキサンを用いて、ＳＯＧにより３０００Åの光透過性膜を形成し、さらに８０℃、１５０℃、２００℃で段階的に各３分のベークを行った後、窒素雰囲気中で４５０℃で３０分のアニールを行うことにより保護膜１７を形成する。

次に、屈折率１．４７のＳｉＯ_２を用いて、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜を設け、フォトリソグラフィーによるマスクパターニング、およびエッチングを行って電極形成領域以外の部分に保護膜１８を形成する。なお、このエッチングに基づいて電極形成領域に設けられている保護膜１７を除去する。

次に、保護膜１８の形成されたウエハーに対してダイシング、スクライブ、およびブレーキングを施すことにより、規定サイズの素子単位に分割する。

このようにして形成された発光素子１に対して、パッド電極１６およびｎ側電極１９にボンディングされた図示しないＡｕワイヤを介して順方向の電圧を印加すると、ＭＱＷ１３のＩｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層１３０においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合に基づく発光が生じる。発光に基づく光は発光波長４６０〜４７０ｎｍの青色光であり、透明電極１５、保護膜１７および１８を介して素子外部へ放射される。

（第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態によると、透明電極１５の表面に保護膜１７（ｎ＝１．６５）を有し、その表面に保護膜１７より屈折率の小なる保護膜１８（ｎ＝１．４７）を設けることで、層間の屈折率差および保護膜１８と素子外との屈折率差が小になり、そのことによりｐ−ＧａＮ層１４から透明電極１５を介して保護膜１７に入射する光の界面反射を抑え、さらに保護膜１７から保護膜１８を介して外部放射される光の外部との界面における反射を低減することができる。そのため、ＭＱＷ１３での発光に基づく光を外部に効率良く放射できるようになり、高輝度化を実現できる。

なお、第１の実施の形態では、保護膜１７を形成する材料としてラダー型ポリシルセスキオキサンを用いたが、同等の屈折率を有しＳＯＧ膜を形成しうるものであれば他の材料を用いても良い。他の材料として、例えば、シリコン系のシロキサン樹脂を用いることができる。

［第２の実施の形態］
（発光素子１の構成）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。以下の説明において、第１の実施の形態と同様の構成および機能を有する部分については共通する符号を付している。

この発光素子１は、第１の実施の形態で説明したものと同様のフェイスアップ型の発光素子であり、保護膜１７の表面に凹凸を形成した粗面部１７１を有する点で第１の実施の形態と相違している。

保護膜１７を形成するには、まず、第１の実施の形態で説明したように屈折率１．６５のラダー型ポリシルセスキオキサンを用いて、透明電極１５上にＳＯＧにより８０００Åの光透過性膜を形成し、さらに８０℃、１５０℃、２００℃で段階的に各３分のベークを行った後、窒素雰囲気中で４５０℃で３０分のアニールを行うことにより保護膜１７を形成する。

次に、フォトリソグラフィーによるマスクパターニングを行って保護膜１７の表面に０．８μｍ角のパターンを０．６μｍ間隔で形成する。

次に、このマスクパターンを有した保護膜１７に対してＣＦ_４／Ｎ_２ガスを用いてエッチングを行い、保護膜１７を深さ５０００Åほど除去することによって粗面部１７１を形成する。以降の製造工程は第１の実施の形態と同様である。

このようにして形成された発光素子１の発光に基づく光は、ｐ−ＧａＮ層１４から透明電極１５を介して保護膜１７に入射し、保護膜１７の粗面部１７１で粗面形状に応じて散乱または透過することによって保護膜１８に入射する。

（第２の実施の形態の効果）
本発明の第２の実施の形態によると、保護膜１７の表面に微細な凹凸からなる粗面部１７１を設けることで、第１の実施の形態の好ましい効果に加えて保護膜１８への光の入射を凹凸形状に基づいて促すとともに、界面での光散乱性を高めて保護膜１８から外部放射される光を増大させることができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。

符号の説明

１…発光素子、１０…サファイア基板、１１…ＡｌＮバッファ層、１２…ｎ−ＧａＮ層、１３…ＭＱＷ、１４…ｐ−ＧａＮ層、１５…透明電極、１６…パッド電極、１７…保護膜（ＳＯＧ）、１８…保護膜（ＳｉＯ_２）、１９…ｎ側電極、１３０…Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層、１３１…ＧａＮ障壁層、１７１…粗面部

Claims (5)

1. 第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層との間に発光する層を含む半導体積層構造部と、
   前記半導体積層構造部の表面に設けられる透明電極と、
   前記透明電極上に設けられて第１の屈折率を有する光透過性の第１の保護膜と、
   前記第１の屈折率より小なる第２の屈折率を有して前記第１の保護膜上に設けられる第２の保護膜とを有することを特徴とする発光素子。
2. 第１の導電型の半導体層と第２の導電型の半導体層との間に発光する層を含む半導体積層構造部と、
   前記半導体積層構造部の表面に設けられる透明電極と、
   前記透明電極上に設けられて第１の屈折率を有するとともに表面が粗面化された粗面部を有する光透過性の第１の保護膜と、
   前記第１の屈折率より小なる第２の屈折率を有して前記第１の保護膜上に設けられる第２の保護膜とを有することを特徴とする発光素子。
3. 前記第１の保護膜は、ＳＯＧ（Spin On Glass）により設けられる請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記第１の保護膜は、ＳＯＧ（Spin On Glass）により設けた薄膜に凹凸形状に応じたパターニングを施してエッチングすることにより形成した前記粗面部を有する請求項２に記載の発光素子。
5. 前記第１の保護膜は、ラダー型ポリシルセスキオキサンからなる請求項１または２に記載の発光素子。