JP2007311781A - 窒化物系半導体発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】電流拡散効果を最適化すると共に、静電気放電衝撃を最小化することにより、高い静電気から安定化させることができる高輝度の窒化物系半導体発光ダイオードを提供する。
【解決手段】基板と、前記基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層１２０と、前記ｎ型窒化物半導体層１２０上の所定領域に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上にｐ型枝電極１６０ａを有して形成されたｐ型電極１６０と、前記ｐ型枝電極１６０ａの先端部に前記ｐ型枝電極１６０ａの端部幅より大きな幅で形成されたｐ型ＥＳＤパッド１６０ｂと、前記活性層が形成されないｎ型窒化物半導体層１２０上にｎ型枝電極１５０ａを有して形成されたｎ型電極１５０と、前記ｎ型枝電極１５０ａの先端部に前記ｎ型枝電極１５０ａの端部幅より大きな幅で形成されたｎ型ＥＳＤパッド１５０ｂと、を備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、窒化物系半導体発光ダイオードに関し、さらに詳細には、静電放電（ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣ ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ、以下、「ＥＳＤ」とする）耐性の強いｐ型電極とｎ型電極が水平構造を有する窒化物系半導体発光ダイオードに関する。

一般に、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）とは、電子とホールとが再結合するという化合物半導体の特性を利用して、電気信号を赤外線、可視光線または光の形態に変換させて信号を送受信するのに用いられる半導体素子である。

通常、発光ダイオードの使用範囲は、家庭用家電製品、リモコン、電光板、表示器、各種の自動化機器、光通信などに用いられ、その種類は、大きくＩＲＥＤ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）とＶＬＥＤ（Ｖｉｓｉｂｌｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）に分けられる。

発光ダイオードにおいて、発光する光の周波数（または波長）は半導体素子に用いられる材料のバンドギャップを関数とし、小さなバンドギャップを有する半導体材料を使用する場合には低いエネルギーと長い波長の光子が発生し、広いバンドギャップを有する半導体材料を使用する場合には短い波長の光子が発生する。そのため、発光させようとする光の種類に応じて、素子の半導体材料が選択される。

例えば、赤色発光ダイオードの場合にはＡｌＧａＩｎＰ物質を使用し、青色発光ダイオードの場合にはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）とＩＩＩ族窒化物系半導体、特にガリウムナイトライド（ＧａＮ）を使用する。近来、青色発光ダイオードとして用いられる窒化物系半導体には、（Ａｌ_xＩｎ_1-x）_yＧａ_1-yＮ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）の組成式を有する物質が広く用いられている。

このような窒化物系半導体発光ダイオードは、一般に、絶縁性基板のサファイア基板上で成長され得るため、陽電極のｐ型電極及びｎ型電極の両方を、サファイア基板上に結晶成長された半導体層側に水平に形成しなければならない。このような従来の窒化物系半導体発光ダイオードの構造は、図１及び図２に概略的に例示されている。

以下、図１及び図２を参照して、従来の技術に係る窒化物系半導体発光ダイオードについて詳細に説明する。

図１は、従来の技術に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ’線の断面図である。

図１及び図２に示すように、従来の技術に係る窒化物系半導体発光ダイオードは、光透過性基板のサファイア基板１００上に、ＧａＮからなるバッファ層１１０、ｎ型窒化物半導体層１２０、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造のＩｎＧａＮまたはＩｎＧａＮを含有する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層１３０、ｐ型窒化物半導体層１４０が順次積層された基本構造を有する。

そして、前記ｐ型窒化物半導体層１４０と活性層１３０は、一部メサエッチング（ｍｅｓａ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程によりその一部領域が除去されるため、ｎ型窒化物半導体層１２０の上面の一部が露出している。また、露出したｎ型窒化物半導体層１２０の上面にはｎ型電極１５０が形成されており、ｐ型窒化物半導体層１４０上にはｐ型電極１６０が順次積層された構造で形成されている。

一方、従来の技術に係る窒化物系半導体発光ダイオードは、ｎ型電極１５０とｐ型電極１６０が、サファイア基板１００上に結晶成長された半導体層側に並べて形成されている水平構造をなしているため、ｎ型電極１５０から遠くなるほど、電流が流れる経路の長さが長くなってｎ型窒化物半導体層１２０の抵抗が増加し、これにより、ｎ型電極１５０に隣接した部分に電流が集中的に流れるようになって、電流拡散の効果が落ちるという問題があった。

これにより、従来では、このような問題を解決するために、図３に示すように、前記ｎ型電極１５０とｐ型電極１６０をこれらの電極から何れか一方向に伸びているｎ型枝電極１５０ａ及びｐ型枝電極１６０ａをさらに含むように形成して、ｎ型電極１５０とｐ型電極１６０との間の距離を等しく維持して、電流拡散効果を改善していた。

しかしながら、上記のようなｎ型電極１５０から延設されたｎ型枝電極１５０ａ、及びｐ型電極１６０から延設されたｐ型枝電極１６０ａは、ｎ型電極１５０とｐ型電極１６０との間の距離、すなわち、電流が流れる経路の長さを均一に維持して電流拡散効果を向上させるという長所はあるが、前記ｎ型枝電極１５０ａ及びｐ型枝電極１６０ａは、ｎ型電極１５０及びｐ型電極１６０から一方向へ、その端部幅がｎ型電極１５０及びｐ型電極１６０より狭い幅で長く伸びているため、大電流を印加する際、部分Ａに示すようなｎ型枝電極１５０ａ及びｐ型枝電極１６０ａの先端部は、ＥＳＤに対して耐性が弱く、急激なサージ（ｓｕｒｇｅ）電圧または静電気により破損され得るという問題があった。

結局、この問題は、窒化物系半導体発光ダイオードの特性を不安定にする要因として作用し、窒化物系半導体発光ダイオードの信頼性及び製造歩留まりを減少させていた。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電流拡散効果を最適化すると共に、静電気放電による衝撃を最小化することにより、高い静電気に対して安定化され得る高輝度の窒化物系半導体発光ダイオードを提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る窒化物系半導体発光ダイオードは、基板と、前記基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上の所定領域に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上にｐ型枝電極を有して形成されたｐ型電極と、前記ｐ型枝電極の先端部に前記ｐ型枝電極の端部幅より大きな幅で形成されたｐ型ＥＳＤパッドと、前記活性層が形成されていないｎ型窒化物半導体層上にｎ型枝電極を有して形成されたｎ型電極と、前記ｎ型枝電極の先端部に前記ｎ型枝電極の端部幅より大きな幅で形成されたｎ型ＥＳＤパッドと、を備える。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、前記ｎ型枝電極及び前記ｐ型枝電極は、１つ以上のラインからなっており、前記ラインが、直線、曲線及び単一閉曲線からなるグループから選択された何れか１つのラインからなることが好ましい。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、前記ｎ型枝電極及び前記ｐ型枝電極は、互いに対応する前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極から一方向に伸びて形成されたことが好ましい。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極は、円状、多角形及び隅が曲線からなる多角形からなるグループから選択された何れか１つからなることが好ましい。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、前記ｎ型ＥＳＤパッド及び前記ｐ型ＥＳＤパッドは、円状、多角形及び隅が曲線からなる多角形からなるグループから選択された何れか１つからなることが好ましい。。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、前記ｎ型ＥＳＤパッド及び前記ｐ型ＥＳＤパッドは、前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極と同じ物質からなることが好ましい。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、前記ｎ型ＥＳＤパッド及び前記ｐ型ＥＳＤパッドは、前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極と互いに異なる物質からなることが好ましい。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｐ型電極との間に形成されている透明導電体層をさらに備えることが好ましい。前記透明導電体層は、前記ｐ型電極を介して注入される電流の注入面積を増加させて、電流拡散効果をさらに向上させることができる。

本発明によれば、ｎ型電極及びｐ型電極から伸びて長く延設されたそれぞれのｎ型及びｐ型枝電極の先端部に、これより大きい幅を有するＥＳＤパッドを備えることによって電流拡散効果を向上させるとともに前記ｎ型及びｐ型枝電極の先端部のＥＳＤ耐性を高めるため、急激なサージ電圧または静電気によって窒化物系半導体発光ダイオードが破壊されることを防止できる。

したがって、本発明は、ＥＳＤに対してから安定化された高輝度の窒化物系半導体発光ダイオードを提供できるという利点がある。

以下、添付した図面を参照して、当業者が容易に実施できるように本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図面において多様な層及び領域を明確に表現するために、その厚さを拡大して示した。明細書全体にわたって類似した部分には同じ図面符号を付してある。

以下、本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードについて、図面を参考にして詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞

まず、図４及び図５を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードについて詳細に説明する。

図４は本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図であり、図５は図４のＶ−Ｖ’線の断面図である。

図４及び図５に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードは、光透過性の基板１００と、前記基板１００上にバッファ層１１０、ｎ型窒化物半導体層１２０、活性層１３０及びｐ型窒化物半導体層１４０が順次積層されてなる発光構造物を備える。

前記基板１００は、窒化物半導体単結晶を成長させるのに適した基板であって、サファイア基板及びシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板のような異種基板、または窒化物基板のような同種基板であってもよい。

前記バッファ層１１０は、前記ｎ型窒化物半導体層１２０を成長する前に前記基板１００との格子整合を向上させるための層であって、一般に、ＧａＮまたはＧａを含む窒化物で形成されており、これは素子の特性及び工程条件により省略してもよい。

前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層１２０、１４０及び活性層１３０は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（ここで、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）組成式を有する半導体物質からなり得る。さらに具体的に、前記ｎ型窒化物半導体層１２０は、ｎ型導電型不純物がドーピングされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、ｎ型導電型不純物としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどを使用し、好ましくは、Ｓｉを主に使用する。また、前記ｐ型窒化物半導体層１４０は、ｐ型導電型不純物がドーピングされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、ｐ型導電型不純物としては、例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどを使用し、好ましくは、Ｍｇを主に使用する。そして、前記活性層１３０は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ層からなり得る。

前記活性層１３０とｐ型窒化物半導体層１４０の一部はメサエッチングにより除去され、底面にｎ型窒化物半導体層１２０の一部が露出している。

前記メサエッチングにより露出したｎ型窒化物半導体層１２０上の所定部分には、ｎ型電極１５０が形成されている。ここで、前記ｎ型電極１５０は、Ｃｒ／Ａｕなどからなっており、円状、多角形及び隅が曲線からなる多角形などの形状を有することができ、かつ、素子の特性に応じて１つ以上形成することが可能である。本発明の第１の実施の形態では、四角形状のｎ型電極１５０を示している（図４参照）。

また、前記メサエッチングにより露出したｎ型窒化物半導体層１２０上には、前記ｎ型電極１５０から一方向に伸びているｎ型枝電極１５０ａが形成されている。ここで、前記ｎ型枝電極１５０ａは、端部の幅がｎ型電極１５０の幅より狭く形成された１つのラインからなっており、前記ラインは、直線、曲線及び閉曲線からなるグループから選択された何れか１つのラインからなることが好ましい。本実施の形態では、直線からなるｎ型枝電極１５０ａを示している。

しかしながら、前記ｎ型枝電極１５０ａは、ｎ型電極１５０から一方向へ、端部幅がｎ型電極１５０より狭い幅で長く伸びているため、大電流を印加する際、ｎ型枝電極１５０ａの先端部はＥＳＤに対する耐性が弱いため、急激なサージ電圧または静電気により破損され得るという恐れがある。

したがって本発明においては、前記ｎ型枝電極１５０ａの先端部が高いＥＳＤ耐性を有するようにするために、前記ｎ型枝電極１５０ａの先端部にこれより大きい幅を有するｎ型ＥＳＤパッド１５０ｂが形成されている。このとき、前記ｎ型ＥＳＤパッド１５０ａは、素子の特性及び工程条件に応じて、前記ｎ型電極１５０と同じ物質または互いに異なる物質から形成することができる。

ここで、図６ａ〜図６ｃは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図である。

そして前記ｐ型窒化物半導体層１４０上に、電流拡散効果を増大させるための透明導電体層１７０が形成されている。このとき前記透明導電体層１７０は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のような導電性金属酸化物だけではなく、発光素子の発光波長に対して透過率が高いと（発光素子の発光波長に対する透過率が高ければ）、導電性が高くコンタクト抵抗が低い金属薄膜用いてでも構成されることも可能である。

前記透明電極１７０上には、Ｃｒ／Ａｕなどからなるｐ型電極１６０が形成されている。

ここで、前記ｐ型電極１６０は、上述のｎ型電極１５０と同様に、Ｃｒ／Ａｕなどからなっており、円状、多角形及び隅が曲線からなる多角形などの形状を有し、素子の特性に応じて１つ以上形成することが可能である。

前記ｐ型電極１６０から一方向に伸びているｐ型枝電極１６０ａが形成されており、これも、端部の幅がｐ型電極１６０の幅より狭く形成されたラインからなっている。このとき、前記ラインは、直線、曲線及び閉曲線からなるグループから選択された何れか１つのラインからなることが好ましい。さらに具体的に、本実施の形態に係る図４には直線状のｐ型枝電極１６０ａを示しており、図８には曲線状のｐ型枝電極１６０ａを示している。

また、前記ｐ型枝電極１６０ａも、ｐ型電極１６０から一方向へ、端部幅がｐ型電極１６０より狭い幅で長く伸びているため、大電流を印加する際、ｐ型枝電極１６０ａの先端部はＥＳＤに対する耐性が弱いため、急激なサージ電圧または静電気により破損され得るという恐れがある。

したがって本発明においては、前記ｐ型枝電極１６０ａの先端部が、高いＥＳＤ耐性を有するようにするために、先端部にこれより大きい幅を有するように形成されたｐ型ＥＳＤパッド１６０ｂを備えている。このとき、前記ｐ型ＥＳＤパッド１６０ａも、素子の特性及び工程条件に応じて、前記ｐ型電極１６０と同じ物質または互いに異なる物質から形成することができる。

一方、本実施形態では、四角状を有するｎ型ＥＳＤパッド１５０ｂ及びｐ型ＥＳＤパッド１６０ｂを示しているが、これは、これに限定されず、図６ａ〜図６ｃに示したように、互いに対応する前記ｎ型枝電極１５０ａ及びｐ型枝電極１６０ａの端部の幅より大きい幅を有する円状、多角形または隅が曲線からなる多角形などで形成されることが可能である。

＜第２の実施の形態＞

以下、図７を参考にして、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードについて詳細に説明する。但し、第２の実施の形態の構成のうち、第１の実施の形態と同じ部分に対する説明は省略し、第２の実施の形態で変わる構成に対してのみ詳説する。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図である。

図７に示すように、第２の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードは、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードと殆どの構成が同一であり、但し、ｎ型電極１５０とｐ型電極１６０が四角形でない半球形であるという点と、ｐ型枝電極１６０ａが１個ではなく２個であるという点、及びこれらの配置が互いに平行であり、フィンガー（ｆｉｎｇｅｒ）型で形成されているという点のみが第１の実施の形態と異なる。

したがって第２の実施の形態も第１の実施の形態と同様に、ｎ型ＥＳＤパッド１５０ａ及びｐ型ＥＳＤパッド１６０ａが、それぞれに該当するｎ型枝電極１５０ａ及びｐ型枝電極１６０ａの先端部にその幅より大きい幅を有するように形成されているため、第１の実施の形態と同じ作用及び効果を得ることができる。

また、第２の実施の形態は、前記ｎ型枝電極１５０ａとｐ型枝電極１６０ａとが互いに交差するフィンガー構造で形成されているため、大電流を必要とする大面積窒化物半導体発光ダイオードの電流拡散効率を向上させることができるという利点がある。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

従来の技術に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ’線の断面図である。 従来の技術に係るさらに他の窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図である。 図４のＶ−Ｖ’線の断面図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードの構造を示した平面図である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードのｐ型枝電極形状の変形例を示した平面図である。

符号の説明

１００ 基板
１１０ バッファ層
１２０ ｎ型窒化物半導体層
１３０ 活性層
１４０ ｐ型窒化物半導体層
１５０ ｎ型電極
１５０ａ ｎ型枝電極
１５０ｂ ｎ型ＥＳＤパッド
１６０ ｐ型電極
１６０ａ ｐ型枝電極
１６０ｂ ｎ型ＥＳＤパッド
１７０ 透明導電体層

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層上の所定領域に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｐ型窒化物半導体層上にｐ型枝電極を有して形成されたｐ型電極と、
   前記ｐ型枝電極の先端部に前記ｐ型枝電極の端部幅より大きな幅で形成されたｐ型ＥＳＤパッドと、
   前記活性層が形成されていないｎ型窒化物半導体層上にｎ型枝電極を有して形成されたｎ型電極と、
   前記ｎ型枝電極の先端部に前記ｎ型枝電極の端部幅より大きな幅で形成されたｎ型ＥＳＤパッドと、を備える窒化物系半導体発光ダイオード。
2. 前記ｎ型枝電極及び前記ｐ型枝電極は、１つ以上のラインからなっており、前記ラインが、直線、曲線及び単一閉曲線からなるグループから選択された何れか１つのラインからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光ダイオード。
3. 前記ｎ型枝電極及び前記ｐ型枝電極は、互いに対応する前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極から一方向に伸びて形成されたことを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体発光ダイオード。
4. 前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極は、円状、多角形及び隅が曲線からなる多角形からなるグループから選択された何れか１つからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光ダイオード。
5. 前記ｎ型ＥＳＤパッド及び前記ｐ型ＥＳＤパッドは、円状、多角形及び隅が曲線からなる多角形からなるグループから選択された何れか１つからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光ダイオード。
6. 前記ｎ型ＥＳＤパッド及び前記ｐ型ＥＳＤパッドは、前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極と同じ物質からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光ダイオード。
7. 前記ｎ型ＥＳＤパッド及び前記ｐ型ＥＳＤパッドは、前記ｎ型電極及び前記ｐ型電極と互いに異なる物質からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光ダイオード。
8. 前記ｐ型窒化物半導体層と前記ｐ型電極との間に形成されている透明導電体層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光ダイオード。

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