JP2007157778A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的平易な手法で電流阻止構造を形成することができる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 第１導電型の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた第２導電型の第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層上に設けられた第２導電型の光取り出し層と、前記光取り出し層上に設けられ、前記光取り出し層に対しオ−ミック性であるオ−ミックコンタクト電極と、前記光取り出し層上に設けられ、前記光取り出し層に対し非オ−ミック性であり、前記オーミックコンタクト電極と電気的に接続されるボンディングパッド電極と、を有する半導体発光素子。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関するものである。

高輝度の半導体発光素子を得るための構造として、ボンディングパットの直下にオーミックコンタクト層と反対の導電型の半導体からなる電流阻止層を設け、ボンディングパット上とオーミックコンタクト層上の電極層は、細線状のパターンで結ばれている半導体発光素子がある。

しかし、光取り出し層にＧａＰ材料を用いた場合、例えば、ｎ−ＧａＡｓ基板上にｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、ＩｎＧａＡｌＰ活性層、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ＧａＰグレ−テッド層、ｐ−ＧａＰ光取り出し層を順次積層する構造においては、ｐ−ＧａＰ電流拡散層の次に、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層を直接積層することは、材料の格子定数の点から困難である。

また、ｐ−ＧａＰ光取り出し層の上にｎ−ＧａＰ電流阻止層を形成した場合、このｎ−ＧａＰ電流阻止層のみをボンディングパットと略同型で且つ、深さ方向にも精度よくエッチング法で除去することは、困難である。
特開2004-311698号公報

本発明は、比較的平易な手法で電流阻止構造を形成することができる半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様の半導体発光素子は、第１導電型の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた第２導電型の第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層上に設けられた第２導電型の光取り出し層と、前記光取り出し層上に設けられ、前記光取り出し層に対しオ−ミック性であるオ−ミックコンタクト電極と、前記光取り出し層上に設けられ、前記光取り出し層に対し非オ−ミック性であり、前記オーミックコンタクト電極と電気的に接続されるボンディングパッド電極とを有することを特徴としている。

本発明によれば、比較的平易な手法で電流阻止構造を形成することができる半導体発光素子を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子を図１乃至図５を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。図２は、本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子の上面図である。図１の断面図は、図２の上面図におけるＡ−Ａ線を矢印の方向に眺めた図である。

図１に示すように、本実施例に係る半導体発光素子１００は、（１００）を主面とするｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層４、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５、前記ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド５から略直線的にＩｎとＡｌ組成を減少させて最終的にＧａＰとなるｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ＧａＰグレ−デッド層６、 ｐ−ＧａＰ光取り出し層７が積層状に設けられている。

光取り出し層７上には、Ａｕ１０、および、Ｚｎの組成比が３ｗｔ％であるＡｕＺｎ１１からなるオーミックコンタクト電極３０が設けられている。一例として、Ａｕ１０の厚さは５００Åであり、ＡｕＺｎ１１の厚さは２０００Åである。このオーミックコンタクト電極３０は、光取り出し層７上に、細線状のパターンとなるように設けられている。より具体的には、図２に示すように、半導体発光素子１００の４辺に沿うように四角形の環状に設けられた細線と、その内側に設けられた円形を有する環状の細線と、それらの細線を半導体発光素子１００の対角線で結ぶ細線とからなっている。

光取り出し層７とオーミックコンタクト電極３０との上には、Ｇｅの組成比が０．５ｗｔ％であるＡｕＧｅ１４と、Ａｕ１５と、Ｍｏ１６と、Ａｕ１７と、Ｍｏ１８と、Ａｕ１９とからなるパッド電極４０が設けられている。一例として、ＡｕＧｅ１４の厚さは５００Åであり、Ａｕ１５の厚さは１０００Åであり、Ｍｏ１６の厚さは１５００Åであり、Ａｕ１７の厚さは１５００Åであり、Ｍｏ１８の厚さは５００Åであり、Ａｕ１９の厚さは６０００Åである。このパッド電極４０は、上面図から見たときに、半導体発光素子１００の中心部分において光取り出し層７の真上に設けられ、その中心部分より外側の部分においては、オーミックコンタクト電極３０の真上に設けられ、さらにその外側においては、光取り出し層７の真上に設けられている。より具体的には、図２に示すように、半導体発光素子１００の中心部分に円形状に設けられたパッド電極４０Ａ部分と、その円形状のパッド電極４０Ａから略（０−１−１）面に延びる細線状のパッド電極４０Ｂと、円形状のパッド電極４０Ａから略（０１１）面に延びる細線状のパッド電極４０Ｃとからなっている。

そして、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極として、ＡｕＧｅ２０が設けられている。一例として、ＡｕＧｅ２０のＧｅ組成比は０．５ｗｔ％であり、厚さは２０００Åである。

このようにして、本実施例に係る半導体発光素子１００は構成されている。

半導体発光素子１００は、上面図で、外周線に沿って、光取り出し層７に対してオーミック接触するオーミックコンタクト電極３０が設けられている。そのため、半導体発光素子１００の外周部から、電流を注入することが可能となる。

また、パッド電極４０が半導体発光素子の中央部分に設けられている。そのため、半導体発光素子１００に対して、ワイヤをパッド電極に対してボンディングしやすくすることが可能となる。

つまり、半導体層上にその半導体層とは非オーミック接触である金属を設けることにより、非オーミック接触である部分での電流注入を阻止している。

また、パッド電極４０は、その直下に設けられた光取り出し層７に対して、非オーミック接触する。そのため、パッド電極４０下方には電流が注入されにくくなるので、パッド電極４０の直下に位置する活性層４で発光した光は、半導体発光素子１００の外部に光がでにくくなる。

パッド電極４０は、活性層４から放出される発光光に対して透明ではない。そのため、パッド電極４０直下の活性層で発光したとしても、その上部のパッド電極において吸収、反射される。そのため、パッド電極４０下の活性層での発光の割合が大きくなると、外部取り出し効率が低下する。

本実施例に係る半導体発光素子１００は、上面図において中央にパッド電極４０が設けられ、半導体発光素子１００の中心部を除く、周辺部に設けられたオーミック電極３０から電流が、活性層に注入される。オーミック電極３０の真上には、一部の部分を除き、パッド電極が設けられていない。そのため、活性層から放出された光は、パッド電極４０に吸収、反射されにくい。そのため、光取り出し効率が向上する。

パッド電極４０は、直接接触する下部の半導体層の光取り出し層７に対しては、非オーミック接触する電流阻止構造となっている。一方、パッド電極４０は、ｐ側電極３０に対しては、オーミック接触するような構造となっている。

図３は、本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子の相対輝度を示す図である。図３には、電流素子構造の有無により、半導体発光素子の相対輝度の相違を示す図である。横軸に示す素子構造は次の通りである。

Ａ：電流素子構造なし、ＧａＰ光取り出し層３．５μｍ
Ｂ：電流素子構造なし、ＧａＰ光取り出し層５．０μｍ
Ｃ：本実施例に係る電流素子構造を有し、ＧａＰ光取り出し層３．５μｍ
Ｄ：本実施例に係る電流素子構造を有し、ＧａＰ光取り出し層５．０μｍ
図３から明らかなように、電流素子構造がないものに比べ、本実施例のような電流阻止構造を用いた方が、半導体発光素子から取り出すことのできる光の輝度が高くなる。

また、コンタクト電極３０が、光取り出し層７に対してオーミック接触する。コンタクト電極３０は、パッド電極４０と電気的に接続している。そのため、ボンディングワイヤを経由してパッド電極４０に注入された電流は、コンタクト電極３０から光取り出し層７を介して活性層４に流れる。半導体発光素子１００の外周部から光取り出し層７に電流注入される。つまり、電流注入を所望する部分の光取り出し層７に対しては、オーミック接触であるので、活性層４に効率よく電流を注入することが可能である。

次に、本実施例に係る半導体発光素子の製造方法を図４乃至図６を参照しながら説明する。

まず、図４、図５、図６は、本発明の第１の実施例に係る半導体発光素子の製造方法の工程断面図である。

図４（a）に示すように、（１００）を主面とするｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層４、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５、前記ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド５から略直線的にＩｎとＡｌ組成を減少させて最終的にＧａＰとなるｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ＧａＰグレ−デッド層６、およびｐ−ＧａＰ光取り出し層７をＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)法を用いて順次形成する。

図４（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＰ光取り出し層７上にＳｉＯ_２膜８を形成する。

図４（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２膜８上にリソグラフィ技術を用いて、レジストパターン９を形成する。パターン９は３．５μｍ幅の細線状のパターンであり、ｎ−ＧａＡｓ基板１の（０１１）面にヘキ開法によりあらかじめ形成されているオリエンテ−ションフラットに０．１°以下のズレの範囲でパターン９が平行になるよう配置するのが好ましい。なお、このレジストパターン９は、オーミックコンタクト電極３０を形成するために設けられている。

図４（ｄ）に示すように、レジストパターン９をマスクとして、レジストパターン９の開口部から露出したＳｉＯ_２膜８をフッ化アンモニウム水溶液を用いてエッチング除去する。これにより、レジストパターン９の開口部から、ｐ−ＧａＰ光取り出し層７が露出する。

図５（a）に示すように、レジストパターン９、ＳｉＯ２膜８の開口部から露出したｐ−ＧａＰ光取り出し層７に、Ａｕ５００Å１０、ＡｕＺｎ（Ｚｎ ３ｗｔ％）２０００Å１１を抵抗加熱法で蒸着する。

図５（ｂ）に示すように、その後レジストパターン９を剥離し、ＳｉＯ_２膜８をフッ化アンモニウム水溶液を用いて、エッチングにより除去する。その後、Ａｒ１．３ ｌ／ｍｉｎ雰囲気中４５５℃で４０分間熱処理を行う。これにより、ｐ−ＧａＰ光取り出し層７と蒸着膜（Ａｕ１０とＡｕＺｎ１１との積層膜、オーミック電極３０）とがオーミック接触する。これにより、ｐ側電極であるオーミック電極３０が得られる。

図５（ｃ）に示すように、ｐ−ＧａＰ光取り出し層７およびＡｕ１０とＡｕＺｎ１１との積層膜上にＳｉＯ_２膜１２を形成する。ＳｉＯ_２膜１２上にリソグラフィ技術を用いてレジストパターン１３を形成する。レジストパターン１３は、上面から見たときの中央部に開口部を有している。また、レジストパターン１３はφ１００μｍの円形状の開口部と、５μｍ幅の細線状の開口部とで構成され、細線状の開口部の一部が、既に形成したＡｕ１０とＡｕＺｎ１１との積層膜に重なるように配置する。また、Ａｕ１０とＡｕＺｎ１１との積層膜の真上には、レジストパターン１３の開口部が位置するように、レジストパターン１３を形成する。

図６（a）に示すように、レジストパターン１３の開口部から露出したＳｉＯ_２膜１２をフッ化アンモニウム水溶液にてエッチング除去する。これにより、レジストパターン１３の開口部からは、ｐ−ＧａＰ光取り出し層７、Ａｕ１０とＡｕＺｎ１１との積層膜が露出する。

図６（ｂ）に示すように、レジストパターン１３の開口部から露出しているｐ−ＧａＰ光取り出し層７と、Ａｕ１０とＡｕＺｎ１１との積層膜との上に、ＡｕＧｅ（Ｇｅ ０．５ｗｔ％）５００Å１４、Ａｕ１０００Å１５、Ｍｏ１５００Å１６、Ａｕ１５００Å１７、Ｍｏ５００Å１８、Ａｕ６０００Å１９を抵抗加熱法と電子ビ−ム加熱法とを併用して蒸着する。ＡｕＧｅ１４、Ａｕ１５、Ｍｏ１６、Ａｕ１７、Ｍｏ１８、Ａｕ１９からなる積層膜（パッド電極４０）は、ｐ−ＧａＰ光取り出し層７と非オ−ミック接触となるように選ばれる。

図６（ｃ）に示すように、レジストパターン１３を剥離した後、ＳｉＯ_２膜１２をフッ化アンモニウム水溶液にてエッチング除去し、周辺部から、ｐ−ＧａＰ光取り出し層７を露出させる。

図６（ｄ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１裏面にＡｕＧｅ（Ｇｅ ０。５ｗｔ％）２０００Å２０を抵抗加熱法により蒸着し、ｎ−ＧａＡｓ基板１とオ−ミックコンタクトを得る目的でＡｒ１．３ ｌ／ｍｉｎ雰囲気中３８０℃で４０分熱処理を施す。これにより、ｎ側電極であるＡｕＧｅ２０が得られる。

このようにして、図１に示すような半導体発光素子１００が得られる。

本実施例に係る半導体発光素子は、従来の製造方法に比べて平易な製造方法により、電流素子構造を作成することが可能である。

従来の半導体発光素子に用いられていたような、ｐ型ＧａＡｓのコンタクト層上にｎ型のＩｎＧａＡｌＰ等の電流素子層を設けることは、製造プロセス上、困難ではなかった。それに対して、ｐ型ＧａＰの層の上に、逆導電型の電流素子層、例えば、ｎ型のＩｎＧａＡｌＰ層等を設けることは困難である。なぜなら、ｐ型半導体層と、その層の上部にある半導体層との材料の格子定数の差が大きく、結晶成長等で電流阻止層を形成することは困難である。

それに対して、本実施例のような半導体発光素子の構造では、パッド電極が、半導体層に対して非オーミック接触するので、パッド電極と半導体層とで、電流阻止構造を構成している。本実施例の電流阻止構造の構成は、半導体層上に、格子定数の異なる半導体材料を形成するような困難な製造方法に比べて、エッチング、金属膜形成のように比較的容易な製造方法により形成することが可能である。

本発明の実施例２に係る半導体発光素子を図７を用いて説明する。実施例１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

図７（a）は、本実施例２に係る半導体発光素子の概略上面図である。図７(ｂ)は、図７（a）のＡ−Ａ’線における断面図である。図７(ｃ)は、図７（a）のＢ−Ｂ’線における断面図である。

本実施例２では、半導体発光素子２００の光取り出し層７の表面に、凹凸７０が設けられている。この凹凸７０により、半導体発光素子２００の光取り出し効率を高めることが可能となる。

光取り出し層７のうち、外部に露出している部分に設けられている。凹凸７０は、光取り出し層７とパッド電極４０との界面や、光取り出し層７の側面に設けられていても良い。

なお、凹凸７０は、ＨＦ系のエッチング液などにより、作成することができる。

本発明の実施例３に係る半導体発光素子を図８を用いて説明する。実施例１、２と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

図８（a）は、本実施例３に係る半導体発光素子の概略上面図である。図８(ｂ)は、図８（a）のＡ−Ａ’線における断面図である。図８(ｃ)は、図８（a）のＢ−Ｂ’線における断面図である。

本実施例３では、半導体発光素子３００の基板がＧａＰ基板５０である。

ＧａＰ基板５０は、活性層からの発光光に対して、実質的に透明である。そのため、光が基板に吸収されにくくなり、ＧａＡｓ基板のような非透明基板を用いていたものに比べて、外部への光取り出し効率を高めることが可能となる。

活性層４から直接下方に放射された光または、半導体発光素子３００内で反射し、活性層４の下方に放射された光は、ＧａＰ基板５０を透過し、ｎ側電極２０で反射される。この反射された光は、光取り出し層７若しくは、半導体発光素子３００の側面から取り出される。図１に示したような半導体発光素子においては、基板に吸収されていた光の一部をｎ側電極２０により反射させ、半導体発光素子の外部に取り出すことが可能となる。

このような半導体発光素子３００の製造方法の一例は、次の通りである。

実施例１に示したように、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、バッファ層、ｎ−クラッド層、活性層、ｐ−クラッド層、光取り出し層を形成する。その後、ｎ−ＧａＡｓ基板の裏面側を研磨、エッチングなどにより、ｎ−ＧａＡｓ基板を削除した後、ＧａＡｓ基板を削除した面を、鏡面研磨等を施した後、圧着などによりＧａＰ基板を接着する。

本発明の実施例４に係る半導体発光素子を図９を用いて説明する。実施例１、２、３と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

図９（a）は、本実施例４に係る半導体発光素子の概略上面図である。図９(ｂ)は、図９（a）のＡ−Ａ’線における断面図である。図９(ｃ)は、図９（a）のＢ−Ｂ’線における断面図である。

本実施例４では、半導体発光素子４００の基板がＧａＰ基板５０であり、ＧａＰ基板の側面に凹凸５１が設けられている。また、光取り出し層７の表面に凹凸７０が設けられている。

凹凸５１により、ＧａＰ基板５０の側面からの光を取り出しやすくし、凹凸７１により、光取り出し層７の表面から外部へ光を取り出しやすくし、半導体発光素子の光取り出し効率を高めることが可能となる。

本発明の実施例５に係る半導体発光素子を図１０を用いて説明する。実施例１、２、３、４と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

図１０（a）は、本実施例５に係る半導体発光素子の概略上面図である。図１０(ｂ)は、図１０（a）のＡ−Ａ’線における断面図である。図１０(ｃ)は、図１０（a）のＢ−Ｂ’線における断面図である。

本実施例５では、半導体発光素子５００の支持基板がＳｉ基板６０である。Ｓｉ基板６０上には、金属反射膜８０が設けられている。

金属反射膜８０が設けられていることにより、活性層４から下方向に放出された光は、金属反射膜８０で反射され、上方向に取り出すことが可能となる。これにより、半導体発光素子の光取り出し効率を高めることが可能となる。

本発明の実施例６に係る半導体発光素子を図１１を用いて説明する。実施例１、２、３、４、５と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

本実施例６では、半導体発光素子６００の基板がＳｉ基板６０であり、光取り出し層７の表面に凹凸７０が設けられている。

図１１（a）は、本実施例６に係る半導体発光素子の概略上面図である。図１１(ｂ)は、図１１（a）のＡ−Ａ’線における断面図である。図１１(ｃ)は、図１１（a）のＢ−Ｂ’線における断面図である。

凹凸７１により、外部への光取り出し効率を高めることが可能となる。この凹凸７１により、半導体発光素子６００の光取り出し効率を高めることが可能となる。

ここまで、発光層がＩｎＧａＡｌＰ系半導体を発光層に持つ半導体発光素子を具体例として説明した。しかし、本発明はこれに限定されずに他の化合物半導体、例えば、窒化物系化合物半導体に応用できる。また、基板も、ＧａＡｓに限定することなく、ＧａＮ、サファイヤ、炭化珪素（ＳｉＣ）などを用いることができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらに限定されるものではない。半導体発光素子を構成する、半導体多層膜、電極など各要素の形状、サイズ、材質、配置関係などに関して、また結晶成長プロセスに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。

本発明の実施例１に係る半導体発光素子の構造を示す断面図。 本発明の実施例１に係る半導体発光素子の構造を示す上面図。 本発明の実施例１に係る半導体発光素子の相対輝度を示す図。 本発明の実施例１に係る半導体発光素子の製造方法の工程断面図。 本発明の実施例１に係る半導体発光素子の製造方法の工程断面図。 本発明の実施例１に係る半導体発光素子の製造方法の工程断面図。 本発明の実施例２に係る半導体発光素子の構造を示す図。 本発明の実施例３に係る半導体発光素子の構造を示す図。 本発明の実施例４に係る半導体発光素子の構造を示す図。 本発明の実施例５に係る半導体発光素子の構造を示す図。 本発明の実施例６に係る半導体発光素子の構造を示す図。

符号の説明

１ ｎ−ＧａＡｓ基板
２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
４ ＩｎＧａＡｌＰ活性層
５ ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
６ ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ＧａＰグレ−デッド層
７ 光取り出し層
８ ＳｉＯ_２膜
９ レジストパターン
１０ Ａｕ
１１ ＡｕＺｎ
１４ ＡｕＧｅ
１５ Ａｕ
１６ Ｍｏ
１７ Ａｕ
１８ Ｍｏ
１９ Ａｕ
２０ ｎ側電極
３０ ｐ側電極（オーミックコンタクト電極）
４０ パッド電極
５０ ＧａＰ基板
５１、７０ 凹凸
６０ Ｓｉ基板
８０ 金属反射膜
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 半導体発光素子

Claims (4)

1. 第１導電型の第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層上に設けられた活性層と、
   前記活性層上に設けられた第２導電型の第２のクラッド層と、
   前記第２のクラッド層上に設けられた第２導電型の光取り出し層と、
   前記光取り出し層上に設けられ、前記光取り出し層に対しオ−ミック性であるオ−ミックコンタクト電極と、
   前記光取り出し層上に設けられ、前記光取り出し層に対し非オ−ミック性であり、前記オーミックコンタクト電極と電気的に接続されるボンディングパッド電極と、
   を有する半導体発光素子。
2. 前記ボンディングパッド電極は、前記オーミックコンタクト電極の上面に接触していることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記光取り出し層は、ＧａＰからなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記ボンディングパッド電極は、前記オーミックコンタクト電極に対しオーミック性で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半導体発光素子。

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