JP2007200998A - Surface-emitting light emitting element, and light emitting module - Google Patents
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Description
本発明は、面発光型発光素子に関し、特に、窒化物半導体材料により活性層(発光層)が形成されている面発光型発光素子に関する。 The present invention relates to a surface-emitting light-emitting device, and more particularly to a surface-emitting light-emitting device in which an active layer (light-emitting layer) is formed of a nitride semiconductor material.
発光ダイオードやレーザダイオードのような半導体発光素子の開発における近年の最も重要な成果の一つは、窒化物半導体の採用によって短波長の光、特に、青色の光を発光する技術を確立したことである。窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)のような窒化物半導体は、バンドギャップが広く、且つ、直接遷移型であるため、短波長の光、特に、青色の光を発光するために適している。その一方で、窒化物半導体の形成プロセスの困難性は、技術の進展によって解消されつつある。現在では、窒化物半導体を活性層に採用する発光ダイオード及びレーザダイオードが実用化されている。 One of the most important achievements in recent years in the development of semiconductor light-emitting devices such as light-emitting diodes and laser diodes is the establishment of technology that emits short-wavelength light, especially blue light, by using nitride semiconductors. is there. Nitride semiconductors such as gallium nitride (GaN) and indium gallium nitride (InGaN) have a wide band gap and a direct transition type, so they are suitable for emitting short-wavelength light, especially blue light. ing. On the other hand, the difficulty of the formation process of the nitride semiconductor is being solved by the progress of technology. At present, light-emitting diodes and laser diodes employing nitride semiconductors as active layers have been put into practical use.
近年の窒化物半導体発光素子の一つのトピックは、窒化物半導体基板やZnO基板の採用である。格子定数の観点からは適切とはいえないにも関らず、窒化物半導体発光素子は、一般的にはサファイア基板を採用している。これは、窒化物半導体基板の作製がかつては困難であったこと、及び、窒化物半導体発光素子の高温プロセスに耐える材料としてサファイアが適切であったことによる。しかしながら、近年の技術の進展によって窒化物半導体基板、及びZnO基板の作製が可能になり、このため、窒化物半導体基板やZnO基板の上に窒化物半導体層で形成された活性層を備えた発光素子を形成する技術の検討がなされ始めている。格子定数のミスマッチが小さい窒化物半導体基板やZnO基板の使用は、格子欠陥の低減に有効である。 One topic of recent nitride semiconductor light emitting devices is the adoption of nitride semiconductor substrates and ZnO substrates. Although it is not appropriate from the viewpoint of lattice constant, a nitride semiconductor light emitting element generally employs a sapphire substrate. This is because the production of a nitride semiconductor substrate was once difficult, and sapphire was suitable as a material that can withstand the high-temperature process of the nitride semiconductor light emitting device. However, recent advances in technology have made it possible to produce a nitride semiconductor substrate and a ZnO substrate. For this reason, light emission having an active layer formed of a nitride semiconductor layer on a nitride semiconductor substrate or a ZnO substrate. Studies on the technology for forming elements have begun. The use of a nitride semiconductor substrate or a ZnO substrate having a small lattice constant mismatch is effective in reducing lattice defects.
例えば、特開平11−191637号公報は、GaN基板の上に窒化物半導体の積層体が形成されている発光素子を開示している。開示された発光素子は、GaN基板と、その上に順次に形成されたn側クラッド層、活性層、p側クラッド層、及びp側コンタクト層とを備えている。GaN基板の裏面にはn電極が接合されている。p側コンタクト層は、そのほぼ全面がNi/Alで形成されたp電極によって被覆され、その上にp電極を部分的に被覆するpパッド電極が形成されている。加えて、特開2001−77423号公報は、AlGaN基板の上に窒化物半導体の積層体が形成されている発光素子を開示している。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-191537 discloses a light emitting device in which a nitride semiconductor laminate is formed on a GaN substrate. The disclosed light emitting device includes a GaN substrate, and an n-side cladding layer, an active layer, a p-side cladding layer, and a p-side contact layer sequentially formed thereon. An n-electrode is bonded to the back surface of the GaN substrate. The p-side contact layer is almost entirely covered with a p-electrode formed of Ni / Al, and a p-pad electrode that partially covers the p-electrode is formed thereon. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-77423 discloses a light emitting device in which a nitride semiconductor laminate is formed on an AlGaN substrate.
近年の窒化物半導体発光素子のもう一つのトピックは、面発光型構造の採用である。例えば、面発光型構造の発光ダイオードは、表示用光源、及び、照明用光源として適切である。一方、面発光型構造のレーザダイオードは、レーザーダイオードアレイの形成によって高密度に光源を集積するために有効である。 Another topic of recent nitride semiconductor light emitting devices is the adoption of a surface emitting structure. For example, a light emitting diode having a surface-emitting structure is suitable as a display light source and an illumination light source. On the other hand, a surface emitting laser diode is effective for integrating light sources with high density by forming a laser diode array.
面発光型発光素子では、広い面積の活性層に均一に駆動電流が注入されることが重要である。しかしながら、窒化物半導体基板やZnO基板を採用する面発光型の窒化物半導体発光素子では、p型の窒化物半導体の抵抗率が高いことが、均一に駆動電流を注入する上で問題になる。具体的には、p型の窒化物半導体の抵抗率が高いため、窒化物半導体発光素子では、n型窒化物半導体基板が採用される。また、ZnO基板では、そもそも、p型基板を得ることができない。このため、窒化物半導体基板やZnO基板を採用する発光素子では、p型の窒化物半導体層(例えば、クラッド層やコンタクト層)がn型基板の上方に設けられ、そのp型の窒化物半導体層の上にアノード電極が形成される。面発光型発光素子では、光の放出効率を高めるために、アノード電極をp型の窒化物半導体層の上面を部分的に被覆するように形成される必要がある。しかしながら、このような構造では、抵抗率が高いp型の窒化物半導体層を横方向に駆動電流を流す必要があり、駆動電流の均一性が悪くなる。 In the surface light emitting element, it is important that the driving current is uniformly injected into the active layer having a large area. However, in a surface-emitting nitride semiconductor light emitting device that employs a nitride semiconductor substrate or a ZnO substrate, the high resistivity of the p-type nitride semiconductor is a problem in injecting a drive current uniformly. Specifically, since the resistivity of the p-type nitride semiconductor is high, an n-type nitride semiconductor substrate is employed in the nitride semiconductor light emitting device. In addition, with a ZnO substrate, a p-type substrate cannot be obtained in the first place. For this reason, in a light emitting device employing a nitride semiconductor substrate or a ZnO substrate, a p-type nitride semiconductor layer (for example, a cladding layer or a contact layer) is provided above the n-type substrate, and the p-type nitride semiconductor is provided. An anode electrode is formed on the layer. In the surface-emitting light emitting device, the anode electrode needs to be formed so as to partially cover the upper surface of the p-type nitride semiconductor layer in order to increase the light emission efficiency. However, in such a structure, it is necessary to flow a driving current in the lateral direction through the p-type nitride semiconductor layer having a high resistivity, and the uniformity of the driving current is deteriorated.
このような背景から、窒化物半導体基板やZnO基板を採用する面発光型の窒化物半導体発光素子では、広い面積の活性層により均一に駆動電流を注入するための技術の提供が求められている。
本発明の目的は、窒化物半導体基板やZnO基板を採用する面発光型の窒化物半導体発光素子において、広い面積の活性層に、より均一に駆動電流を注入するための技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique for more uniformly injecting a drive current into an active layer having a large area in a surface-emitting nitride semiconductor light emitting device employing a nitride semiconductor substrate or a ZnO substrate. is there.
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]の記載との対応関係を明らかにするために、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。 In order to achieve the above object, the present invention employs the means described below. In the description of technical matters constituting the means, in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Best Mode for Carrying Out the Invention] Number / symbol used in the best mode for doing this is added. However, the added number / symbol should not be used to limit the technical scope of the invention described in [Claims].
本発明による面発光型発光素子は、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム又は酸化亜鉛で形成されたn型基板(11)と、n型基板(11)の主面を被覆するn型窒化物半導体層(12、13)と、n型窒化物半導体層(12、13)を被覆し、且つ、前記n型基板(11)のバンドギャップに相当する波長よりも長い波長の光を発生するように構成された、窒化物半導体で形成された活性層(14)と、活性層(14)を被覆するp型窒化物半導体層(15、16)と、n型基板の裏面を部分的に被覆するカソード電極(18)と、p型窒化物半導体層(15、16)の、n型基板(11)の反対側の面の全面を被覆するように形成されたアノード電極(17)とを備えている。 A surface-emitting light-emitting device according to the present invention includes an n-type substrate (11) formed of gallium nitride, indium gallium nitride, or zinc oxide, and an n-type nitride semiconductor layer that covers the main surface of the n-type substrate (11). 12, 13) and the n-type nitride semiconductor layer (12, 13), and is configured to generate light having a wavelength longer than the wavelength corresponding to the band gap of the n-type substrate (11). An active layer (14) formed of a nitride semiconductor, a p-type nitride semiconductor layer (15, 16) that covers the active layer (14), and a cathode electrode that partially covers the back surface of the n-type substrate. (18) and an anode electrode (17) formed so as to cover the entire surface of the p-type nitride semiconductor layer (15, 16) opposite to the n-type substrate (11).
このような構成の面発光型発光素子は、アノード電極(17)がp型窒化物半導体層(15、16)の全面を被覆しているため、p型窒化物半導体層(15、16)に電位の分布が生じにくい。従って、活性層(14)に注入される駆動電流の均一性を有効に向上させることができる。加えて、窒化ガリウム又は酸化亜鉛で形成されたn型基板(11)は、その厚さが充分に大きく、且つ、抵抗率を充分に低減可能であるから、カソード電極(18)はn型基板(11)の裏面を部分的にしか被覆していないことが駆動電流の均一性に及ぼす影響は小さい。 In the surface-emitting light-emitting device having such a configuration, the anode electrode (17) covers the entire surface of the p-type nitride semiconductor layer (15, 16), and thus the p-type nitride semiconductor layer (15, 16) is covered. Potential distribution is unlikely to occur. Therefore, the uniformity of the drive current injected into the active layer (14) can be effectively improved. In addition, since the n-type substrate (11) formed of gallium nitride or zinc oxide has a sufficiently large thickness and can sufficiently reduce the resistivity, the cathode electrode (18) is an n-type substrate. The influence on the uniformity of the drive current is small when the back surface of (11) is only partially covered.
カソード電極(18)は、前記活性層によって発生された前記光を透過するように構成されることが好ましい。例えば、カソード電極(18)は、金及びニッケルの積層電極で形成されることが好適である。その代わりに、カソード電極(18)は、酸化インジウム、酸化スズ、ITO、及び酸化亜鉛からなる群から選択されたいずれかの材料で形成されることも好適である。 The cathode electrode (18) is preferably configured to transmit the light generated by the active layer. For example, the cathode electrode (18) is preferably formed of a laminated electrode of gold and nickel. Instead, the cathode electrode (18) is also preferably formed of any material selected from the group consisting of indium oxide, tin oxide, ITO, and zinc oxide.
このような面発光型発光素子(1)は、アノード電極(17)の全面に接合する金属構造体(3)を備える発光モジュールに実装されることが好適である。 Such a surface light emitting element (1) is preferably mounted on a light emitting module including a metal structure (3) bonded to the entire surface of the anode electrode (17).
本発明によれば、窒化物半導体基板やZnO基板を採用する面発光型の窒化物半導体発光素子において、広い面積の活性層に、より均一に駆動電流を注入することができる。 According to the present invention, in a surface emitting nitride semiconductor light emitting device employing a nitride semiconductor substrate or a ZnO substrate, a drive current can be more uniformly injected into an active layer having a large area.
図1は、本発明の一実施形態における発光モジュール10の構成を示す断面図である。発光モジュール10は、面発光型の発光ダイオード1と、パッケージ2と、金属ヒートシンク3とを備えている。パッケージ2には、カップ2aが形成され、カップ2aの底面に金属ヒートシンク3が挿入されている。発光ダイオード1は、金属ヒートシンク3の上面に接合されている。リード4、5がパッケージ2を貫通するように設けられている。リード4は、ワイヤ6によって発光ダイオード1に電気的に接続され、リード5は、金属ヒートシンク3を介して発光ダイオード1に電気的に接続されている。リード4、5は、発光ダイオード1への駆動電流の供給に使用される。カップ2aの内部は透明な封止樹脂(図示されない)によって封じられ、封止樹脂によって発光ダイオード1とワイヤ6が保護される。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a light emitting module 10 according to an embodiment of the present invention. The light emitting module 10 includes a surface emitting light emitting diode 1, a package 2, and a metal heat sink 3. A
図2は、発光ダイオード1の構造を示す断面図であり、図3は、発光ダイオード1の構造を示す平面図である。図2に示されているように、発光ダイオード1は、n型GaN基板11を備えている。n型GaN基板11は、その不純物濃度が高く、これにより、充分な導電性が与えられている。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the light-emitting diode 1, and FIG. 3 is a plan view showing the structure of the light-emitting diode 1. As shown in FIG. 2, the light emitting diode 1 includes an n-
n型GaN基板11の主面には、n型コンタクト層12と、n型クラッド層13と、MQW(multi-quantum well)層14と、p型クラッド層15と、p型コンタクト層16とが順次に形成されている。本実施形態では、発光ダイオード1は、面発光型構造を採用しており、n型GaN基板11の主面の面積は、0.5×0.5mm2である。
On the main surface of the n-
n型コンタクト層12、n型クラッド層13、MQW層14、p型クラッド層15、及びp型コンタクト層16は、いずれも、窒化物半導体で形成される。一実施形態では、n型コンタクト層12がn型のGaNで形成され、n型クラッド層13がn型のAlGaNで形成される。MQW層14は、光を発生する活性層として機能する層である。一実施形態では、MQW層14は、InGaN層とGaN層とが積層された多層量子井戸で形成される。加えて、p型クラッド層15がp型のAlGaNで形成され、p型コンタクト層16がp型のGaNで形成される。 The n-type contact layer 12, the n-type cladding layer 13, the MQW layer 14, the p-type cladding layer 15, and the p-type contact layer 16 are all formed of a nitride semiconductor. In one embodiment, the n-type contact layer 12 is formed of n-type GaN, and the n-type cladding layer 13 is formed of n-type AlGaN. The MQW layer 14 is a layer that functions as an active layer that generates light. In one embodiment, the MQW layer 14 is formed of a multilayer quantum well in which an InGaN layer and a GaN layer are stacked. In addition, the p-type cladding layer 15 is formed of p-type AlGaN, and the p-type contact layer 16 is formed of p-type GaN.
更に、金属で形成されたアノード電極17が、p型コンタクト層16にオーミック的に接合されている。発光モジュール10の金属ヒートシンク3は、このアノード電極17に接合されている。 Furthermore, an anode electrode 17 made of metal is ohmic-bonded to the p-type contact layer 16. The metal heat sink 3 of the light emitting module 10 is joined to the anode electrode 17.
加えて、カソード電極18がn型GaN基板11の裏面にオーミック的に接合されている。発光モジュール10のワイヤ6は、このカソード電極18に接合されている。
In addition, the
本実施形態の発光ダイオード1の構造的な特徴の一つは、MQW層14で発生した光をn型GaN基板11の裏面から放出するように構成されている点にある。発光ダイオード1の裏面から光を放出するために、図3に示されているように、カソード電極18は、n型GaN基板11の裏面の全面ではなく、該裏面の一部分のみを被覆するように形成されている。本実施形態においては、カソード電極18は、発光ダイオード1の中央に形成された円形のドット部と、そのドット部から発光ダイオード1の隅に向かって延設された突出部分とを備えて構成されている。
One of the structural features of the light-emitting diode 1 of the present embodiment is that the light generated in the MQW layer 14 is configured to be emitted from the back surface of the n-
加えて、MQW層14はn型GaN基板11のバンドギャップに対応する波長よりも長い波長の光を発生するように構成される。これは、MQW層14が発生した光がn型GaN基板11に吸収しにくくするために重要である。MQW層14が発生する光の波長が短すぎると、発生された光がn型GaN基板11で顕著に吸収され、発光ダイオード1の裏面から放出される光の強度が弱くなる。
In addition, the MQW layer 14 is configured to generate light having a wavelength longer than the wavelength corresponding to the band gap of the n-
一方、アノード電極17は、p型コンタクト層16の、n型GaN基板11と反対側の面の全面を被覆するように形成されている。n型GaN基板11の裏面から光が放出されるため、アノード電極17には、光を透過することを要求されないことに留意されたい。従って、アノード電極17は、厚い金属電極で形成されることが可能であり、面内方向の抵抗を低下させ、且つ、光の反射率を向上するためには、むしろ、アノード電極17が厚い金属電極で形成されることが好適である。
On the other hand, the anode electrode 17 is formed so as to cover the entire surface of the p-type contact layer 16 opposite to the n-
上述された構造の利点は、p型の窒化物半導体層(即ち、p型クラッド層15、及びp型コンタクト層16)の抵抗率が大きくても、MQW層14に均一に駆動電流を注入できる点にある。金属で形成され、従って抵抗率が低いアノード電極17によってp型コンタクト層16の全面が被覆され、更に、金属ヒートシンク3がアノード電極17に接合されているため、p型クラッド層15、及びp型コンタクト層16の電位の面内分布は小さい。これは、駆動電流の面内均一性を有効に向上させる。 The advantage of the structure described above is that the drive current can be uniformly injected into the MQW layer 14 even if the resistivity of the p-type nitride semiconductor layer (that is, the p-type cladding layer 15 and the p-type contact layer 16) is large. In the point. Since the entire surface of the p-type contact layer 16 is covered with the anode electrode 17 formed of metal and thus having a low resistivity, and the metal heat sink 3 is bonded to the anode electrode 17, the p-type cladding layer 15 and the p-type The in-plane distribution of the potential of the contact layer 16 is small. This effectively improves the in-plane uniformity of the drive current.
カソード電極18は、n型GaN基板11の裏面を部分的にしか被覆していないが、このことは、駆動電流の均一性に影響しにくい。なぜなら、n型GaN基板11の面内方向の抵抗は小さいからである。n型GaN基板11は、厚さが充分に大きく、且つ、n型のGaNの抵抗率は充分に小さくすることができるから、n型GaN基板11の面内方向の抵抗は、容易に低減することができる。
The
駆動電流の均一性に優れた上記の構造は、n型GaN基板11の一辺が0.5mm以上であるような大きな面積のLEDを作製するために特に有効である。
The above-described structure with excellent drive current uniformity is particularly effective for fabricating an LED having a large area such that one side of the n-
本実施形態において、n型GaN基板11の代わりに、n型InxGa1−xN基板が使用されることも可能である。この場合、MQW層14は、n型InxGa1−xN基板のバンドギャップに対応する波長よりも長い波長の光を発生するように構成される。使用されるn型InxGa1−xN基板のIn組成xは、0よりも大きく、0.5以下であることが好ましい。
In the present embodiment, an n-type In x Ga 1-x N substrate may be used instead of the n-
加えて、上記の構造は、n型GaN基板11の代わりにn型ZnO基板が使用される場合でも有効である。ZnOはバンドギャップが大きいから、ZnO基板は、窒化物半導体で形成されたMQW層14で発光された光を吸収しにくい。従って、図2に図示されているような基板の裏面から光を放出する構造を採用しても、光の放出効率の低減は小さい。
In addition, the above structure is effective even when an n-type ZnO substrate is used instead of the n-
本実施形態において、カソード電極18は、MQW層14によって発生された光の少なくとも一部を透過するように構成されることが好適である。例えば、カソード電極18は、金薄膜及びニッケル薄膜の積層電極で形成されることが好適である。金及びニッケルは青色光に対する透過率が高いため、金薄膜及びニッケル薄膜の厚さを適切に定めることにより、金薄膜及びニッケル薄膜の積層電極で形成された積層電極は透明電極として機能する。また、カソード電極18は、酸化インジウム、酸化スズ、ITO、及び酸化亜鉛のような透明電極で形成されることも好適である。
In the present embodiment, the
1:発光ダイオード
2:パッケージ
3:金属ヒートシンク
4、5:リード
6:ワイヤ
10:発光モジュール
11:n型GaN基板
12:n型コンタクト層
13:n型クラッド層
14:MQW層
15:p型クラッド層
16:p型コンタクト層
17:アノード電極
18:カソード電極
1: Light-emitting diode 2: Package 3: Metal heat sink 4, 5: Lead 6: Wire 10: Light-emitting module 11: n-type GaN substrate 12: n-type contact layer 13: n-type cladding layer 14: MQW layer 15: p-type cladding Layer 16: p-type contact layer 17: anode electrode 18: cathode electrode
Claims (5)
前記n型基板の主面を被覆するn型窒化物半導体層と、
前記n型窒化物半導体層を被覆し、且つ、前記n型基板のバンドギャップに相当する波長よりも長い波長の光を発生するように構成された、窒化物半導体で形成された活性層と、
前記活性層を被覆するp型窒化物半導体層と、
前記n型基板の裏面を部分的に被覆するカソード電極と、
前記p型窒化物半導体層の、前記n型基板の反対側の面の全面を被覆するように形成されたアノード電極
とを備える
面発光型発光素子。 An n-type substrate formed of gallium nitride, indium gallium nitride or zinc oxide;
An n-type nitride semiconductor layer covering the main surface of the n-type substrate;
An active layer formed of a nitride semiconductor that covers the n-type nitride semiconductor layer and is configured to generate light having a wavelength longer than a wavelength corresponding to a band gap of the n-type substrate;
A p-type nitride semiconductor layer covering the active layer;
A cathode electrode partially covering the back surface of the n-type substrate;
A surface-emitting light emitting device comprising: an anode electrode formed so as to cover the entire surface of the p-type nitride semiconductor layer opposite to the n-type substrate.
前記カソード電極は、前記活性層によって発生された前記光を透過するように構成されている
面発光型発光素子。 The surface-emitting light-emitting device according to claim 1,
The surface emitting light emitting device, wherein the cathode electrode is configured to transmit the light generated by the active layer.
前記カソード電極は、金及びニッケルの積層電極で形成された
面発光型発光素子。 The surface-emitting light emitting device according to claim 2,
The cathode electrode is a surface-emitting light emitting device formed of a laminated electrode of gold and nickel.
前記カソード電極は、酸化インジウム、酸化スズ、ITO、及び酸化亜鉛からなる群から選択されたいずれかの材料で形成された
面発光型発光素子。 The surface-emitting light emitting device according to claim 2,
The surface-emitting light-emitting device, wherein the cathode electrode is formed of any material selected from the group consisting of indium oxide, tin oxide, ITO, and zinc oxide.
前記アノード電極の全面に接合された金属構造体と、
前記カソード電極に接合されたワイヤ
とを備える
発光モジュール。 The surface-emitting light-emitting device according to any one of claims 1 to 4,
A metal structure bonded to the entire surface of the anode electrode;
And a wire bonded to the cathode electrode.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20090407 |