JP2008047871A

JP2008047871A - 半導体発光ダイオード

Info

Publication number: JP2008047871A
Application number: JP2007158344A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Kuramoto; 恭介蔵本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-02-28
Also published as: US20080017878A1; US8581295B2; TW200807773A

Abstract

【課題】電流を発光層に均一に注入し、かつ光の取り出し効率を高くすることで、高い発光効率を得ることができる半導体発光ダイオードを得る。
【解決手段】発光波長に対し透明である導電性の基板と、基板上に形成され、発光層を含む半導体層と、半導体層上に形成された表面電極と、基板の裏面に形成され、開口を有する裏面電極とを備え、開口の幅をＬとし、裏面電極と発光層との距離をｔとすると、Ｌ≦２ｔであり、基板の裏面の面積に対して裏面電極の面積の割合が４０％以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧａＮ基板などの透明かつ導電性の基板上に作成した窒化物系の半導体発光ダイオードに関し、特に電流を発光層に均一に注入し、かつ光の取り出し効率を高くすることで、高い発光効率を得ることができる半導体発光ダイオードに関するものである。

近年、ＡｌＩｎＧａＮなどの窒化物系III―V族化合物半導体を用いた青色、白色又は紫外光の半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている（例えば、特許文献１参照）。現在の半導体発光ダイオードは、コストが低いため、サファイア基板上に窒化物系半導体を結晶成長させたタイプが主流となっている。

しかし、サファイア基板とその基板上に結晶成長する窒化物系半導体の間には、大きな格子不整合があることから、サファイア基板上に直接窒化物半導体を成長した場合には、１０^９〜１０^１０ｃｍ^−３以上の密度を持つ非常に多数の貫通転位が発光層内に存在する。この貫通転位は、発光層内のキャリアの非発光再結合中心となるため、発光効率を低下させる。

そのため、サファイア基板上に低温のバッファ層を成長させることで貫通転位を低減する手法が用いられている。しかし、この手法を用いても貫通転位密度は１０^７ｃｍ^−３程度とそれほど小さくはない。一方、現在市販されているＧａＮ基板では、貫通転位密度が１０^５ｃｍ^−３程度になっており、今後さらなる貫通転位密度の低減が期待される。従って、発光効率を向上させるためにはＧａＮ基板を使用することが非常に有効である。

また、ｐ電極及びｎ電極をそれぞれ表面及び裏面に形成するタイプの半導体発光ダイオードの実装方法として次の２つの方法が用いられる。１つめは、基板側すなわちｎ電極側を下にしてダイボンドを行い、表面側から光を取り出す方法である。もう１つは、これとは逆に、表面すなわちｐ電極側を下にしてダイボンドを行い、裏面から光を取り出す方法である。

特開２００５−１６６８４０号公報

図６は、基板裏面をダイボンドし、基板表面から光を取り出すタイプの従来の半導体発光ダイオードを示す断面図である。図示のように、基板１上に、半導体層として、厚さが１．０μｍでＡｌ組成比が０．０７のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２と、厚さが７ｎｍでＩｎ組成比が０．０２である４つのＩｎＧａＮバリア層（不図示）と、厚さが５ｎｍでＩｎ組成比が０．１０である３つのＩｎＧａＮウェル層からなる発光層３と、厚さが１００ｎｍでＡｌ組成比が０．０７であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４と、厚さが２０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層５とが積層されている。そして、基板１の裏面にはＴｉ／Ａｕからなるｎ電極６が形成され、ＧａＮコンタクト層５上にはＰｄ／Ａｕからなるｐ電極７が形成されている。また、ｐ電極７には開口が設けられており、主にこの部分から光を取り出す。

ここで、ｐ電極７同士の間隔Ｌが、ｐ電極７と発光層３との距離ｔに対し大きすぎる場合は、発光層３への電流注入量が面内で不均一となり、電流非注入領域が発生するため、発光効率が低下する。これを防ぐためにはｐ電極７同士の間隔Ｌを小さくすればよい。これにより、発光層３とｐ電極７の間には高抵抗でかつ薄いｐ型半導体層しかなくなるため、ｐ電極７から発光層３へ電流が流れるときに起こる横方向への電流広がりは非常に小さくなる。

また、ｐ電極７と発光層３との距離ｔは、従来の半導体発光ダイオードでは１μｍ以下である。このため、横方向への電流広がりは多くとも数μｍ程度となる。従って、電流の不均一注入を防ぐには、ｐ電極７の開口幅Ｌを数μｍ以下にしなければならない。

しかし、電極の開口幅Ｌを小さくした場合、図７に示すように、発光層で発生した光の一部がｐ電極７により反射又は吸収されることによって、発光効率が低下するという問題があった。

この問題を解決するため、図８に示すように、ｐ電極として透明電極８を用いることで光の反射及び吸収を低減する方法がある。しかし、この場合でも光の反射及び吸収は存在し、特に半導体発光ダイオードの発光波長が短い場合は大きな問題となる。また、電極が薄い場合、その電極の抵抗が大きくなるため、電流注入のためのワイヤから遠い部分では電流量が低下し、電流を均一に注入することが困難である。

また、図９に示すように、半導体層の一部をエッチングした部分にｎ電極６を形成し、表面側を下にして実装することで、裏面から光を取り出す方法もある。しかし、ｎ電極６とｐ電極７の距離が離れるため、電流を均一に注入することが困難となる。また、発光層３の一部をエッチングするため、発光領域が減少してしまう。さらに、ｎ電極６とｐ電極７を近づけるため、両電極を絶縁してダイボンドすることが困難であるなどの問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、電流を発光層に均一に注入し、かつ光の取り出し効率を高くすることで、高い発光効率を得ることができる半導体発光ダイオードを得るものである。

本発明に係る半導体発光ダイオードは、発光波長に対し透明である導電性の基板と、基板上に形成され、発光層を含む半導体層と、半導体層上に形成された表面電極と、基板の裏面に形成され、開口を有する裏面電極とを備え、開口の幅をＬとし、裏面電極と発光層との距離をｔとすると、Ｌ≦２ｔであり、基板の裏面の面積に対して裏面電極の面積の割合が４０％以下である。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、電流を発光層に均一に注入し、かつ光の取り出し効率を高くすることで、高い発光効率を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体発光ダイオードを示す断面図である。ＧａＮ基板１は、発光波長に対し透明である導電性の基板であり、研磨により９９μｍ厚になっている。このＧａＮ基板１上に、半導体層として、厚さが１．０μｍでＡｌ組成比が０．０７のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２と、厚さが７ｎｍでＩｎ組成比が０．０２である４つのＩｎＧａＮバリア層（不図示）と、厚さが５ｎｍでＩｎ組成比が０．１０である３つのＩｎＧａＮウェル層からなる発光層３と、厚さが１００ｎｍでＡｌ組成比が０．０７であるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４と、厚さが２０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層５とが積層されている。

また、ＧａＮコンタクト層５上にはほぼ全面にＰｄ／Ａｕからなるｐ電極７（表面電極）が形成され、基板１の裏面にはＴｉ／Ａｕからなるｎ電極６（裏面電極）が形成されている。この半導体発光ダイオードはｐ側を下にして実装される。また、ｎ電極６には開口が設けられており、主にこの部分から光を取り出す。

また、図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体発光ダイオードを基板の裏面側から見た図である。素子のサイズは縦４００μｍ、横４００μｍである。また、ｎ電極６の形状はくし状であり、ｎ電極６の幅は２０μｍであり、開口の幅Ｌは１００μｍである。

また、ワイヤをボンディングするための電極パッド１０が形成され、電極パッド１０とＧａＮ基板１との間には、ＳｉＯ_２絶縁膜９が形成されている。電極パッド１０のサイズは５０μｍ×５０μｍであり、ＳｉＯ_２絶縁膜９のサイズは６０×６０μｍである。

次に、本実施の形態に係る半導体発光ダイオードの製造方法について説明する。まず、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したＧａＮ基板１上に、ｎ型ドーパントであるＳｉをドーピングしたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２を有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により成長させる。次に、同じくＳｉをドーピングしたＩｎＧａＮウェル層からなる発光層３と、ｐ型ドーパントであるＭｇをドーピングしたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４と、ｐ型ＧａＮコンタクト層５とを順番に積層する。ここで、これらの層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２では１０００℃、ｎ型ＩｎＧａＮ発光層３では７４０℃、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４及びｐ型ＧａＮコンタクト層５では１０００℃とする。

以上の結晶成長が終了したウエハの全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりｐ電極７の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。次に、このレジストパターン上に真空蒸着によりＰｔ膜及びＡｕ膜を順次形成し、リフトオフによりレジスト及びレジスト上の電極膜を除去することで、所望の形状のＰ電極７を形成する。このｐ電極７は、ダイボンドを行う面にあるため、ほぼ全面に形成する。

次に、電極パッド１０の下にあるＳｉＯ_２絶縁膜９を真空蒸着法により形成し、リソグラフィーによりパターニングする。そして、ＧａＮ基板１の裏面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりｎ電極６の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。次に、全面に真空蒸着法によりＴｉ膜及びＡｕ膜を順次形成し、リフトオフによりレジスト及びレジスト上の電極膜を除去することで、所望の形状のｎ電極６を形成する。

次に、ｐ電極７及びｎ電極６をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。そして、ＧａＮ基板１を劈開やダイシングにより、チップ化する。以上により、本実施の形態に係る半導体発光ダイオードが製造される。

ここで、図３は、１つのｎ電極６の電極端からの横方向距離に対するｎ電極６から発光層３に注入される電流の電流密度を示す図である。この関係性と、隣接するｎ電極６からも電流が注入されることとを考慮すると、ｎ電極６の開口の幅Ｌが２ｔ程度であれば、発光層３にある程度均一に電流が注入されることが分かる。即ち、図３に示すように、ｎ電極６からの距離が２ｔ以下であれば、電流密度は０にはならない。そのため、隣接するｎ電極６間の距離Ｌが２ｔ以下であれば、距離Ｌを隔てた２つのｎ電極６からそれぞれ電流が注入されるので、発光層３にある程度均一に電流が注入されることになる。従って、ｎ電極６の開口の幅ＬがＬ≦２ｔであれば、電流を発光層３に均一に注入することができる。ただし、Ｌ≦１．５ｔであることが好ましく、Ｌ≦１．０ｔであれば電流密度はほぼ完全に均一となるため、さらに好ましい。

また、電極６の開口の幅Ｌを小さくするほど光の取り出し効率が小さくなるが、電極６の幅を小さくして面積を小さくすれば、光の取り出し効率を高くすることができる。そして、基板１の裏面の面積に対してｎ電極６の面積の割合が４０％以下であれば、光の取り出し効率を十分に高くすることができる。ただし、２５％以下であることが好ましく、１５％以下であることがさらに好ましい。

また、電極パッド１０部分では光の取り出しが困難であるため、この電極パッド１０の下にＳｉＯ_２絶縁膜９を形成して発光層３に電流が注入されないようにすることで、さらに外部量子効率を向上させることができる。この場合、ＳｉＯ_２絶縁膜９が形成された領域を除く基板１の裏面の面積に対して、ＳｉＯ_２絶縁膜９上以外に形成されたｎ電極６の面積の割合が４０％以下であれば、光の取り出し効率を十分に高くすることができる。ただし、２５％以下であることが好ましく、１５％以下であることがさらに好ましい。

本実施の形態では、ｎ電極６と発光層３との距離ｔは約１００μｍであるため、Ｌ＝１０ｔである。そして、基板１の裏面の面積に対してｎ電極６の面積の割合は約２２％である。この結果、２０ｍＡ時の発光波長は４０８ｍｍ、外部量子効率は３５％と非常に高い発光効率を得ることができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体発光ダイオードを基板の裏面側から見た図である。素子のサイズは縦４００μｍ、横４００μｍである。また、ｎ電極６の形状はくし状であり、ｎ電極６の幅は１５μｍであり、開口の幅Ｌは１５０μｍである。また、電極パッド１０のサイズは５０μｍ×５０μｍであり、ＳｉＯ_２絶縁膜９のサイズは６０×６０μｍである。素子の積層構造は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。

本実施の形態では、Ｌ＝１．５ｔであり、基板１の裏面の面積に対してｎ電極６の面積の割合は約１３％である。この結果、２０ｍＡ時の発光波長は４０８ｍｍ、外部量子効率は３８％と非常に高い発光効率を得ることができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体発光ダイオードを基板の裏面側から見た図である。素子のサイズは縦４００μｍ、横４００μｍである。また、ｎ電極６の形状は網目状であり、ｎ電極６の幅は２０μｍであり、開口の幅Ｌは１００μｍである。また、電極パッド１０のサイズは５０μｍ×５０μｍであり、ＳｉＯ_２絶縁膜９のサイズは６０×６０μｍである。素子の積層構造は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。

本実施の形態では、Ｌ＝１．０ｔであり、基板１の裏面の面積に対してｎ電極６の面積の割合は約３４％である。この結果、２０ｍＡ時の発光波長は４０８ｍｍ、外部量子効率は３１％と非常に高い発光効率を得ることができる。

なお、上記の実施の形態１〜３では、ｎ電極６の形状がくし型の場合と網目状の場合について説明した。しかし、これに限らず、ｎ電極６が他の形状であっても、開口の幅Ｌと距離ｔの関係性と、基板１の裏面の面積に対するｎ電極の面積の割合が上記の条件に合致すれば、同様の効果を有することは言うまでもない。

本発明の実施の形態１に係る半導体発光ダイオードを示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体発光ダイオードを基板の裏面側から見た図である。１つのｎ電極の電極端からの横方向距離に対するｎ電極から発光層３に注入される電流の電流密度を示す図である。本発明の実施の形態２に係る半導体発光ダイオードを基板の裏面側から見た図である。本発明の実施の形態３に係る半導体発光ダイオードを基板の裏面側から見た図である。従来の半導体発光ダイオードを示す断面図である。従来の半導体発光ダイオードを示す断面図である。従来の半導体発光ダイオードを示す断面図である。従来の半導体発光ダイオードを示す断面図である。

符号の説明

１ＧａＮ基板（基板）
２ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（半導体層）
３発光層（半導体層）
４ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（半導体層）
５ｐ型ＧａＮコンタクト層（半導体層）
６ｎ電極（裏面電極）
７ｐ電極（表面電極）
９ＳｉＯ_２絶縁膜（絶縁膜）
１０電極パッド

Claims

発光波長に対し透明である導電性の基板と、
前記基板上に形成され、発光層を含む半導体層と、
前記半導体層上に形成された表面電極と、
前記基板の裏面に形成され、開口を有する裏面電極とを備え、
前記開口の幅をＬとし、前記裏面電極と前記発光層との距離をｔとすると、Ｌ≦２ｔであり、
前記基板の裏面の面積に対して前記裏面電極の面積の割合が４０％以下であることを特徴とする半導体発光ダイオード。
前記基板の裏面の面積に対して前記裏面電極の面積の割合が２５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
前記基板の裏面の面積に対して前記裏面電極の面積の割合が１５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
発光波長に対し透明である導電性の基板と、
前記基板上に形成され、発光層を含む半導体層と、
前記半導体層上に形成された表面電極と、
前記基板の裏面に形成され、開口を有する裏面電極と、
前記基板の裏面に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、前記裏面電極と接続された電極パッドとを備え、
前記開口の幅をＬとし、前記裏面電極と前記発光層との距離をｔとすると、Ｌ≦２ｔであり、
前記絶縁膜が形成された領域を除く前記基板の裏面の面積に対して、前記絶縁膜上以外に形成された前記裏面電極の面積の割合が４０％以下であることを特徴とする半導体発光ダイオード。
前記絶縁膜が形成された領域を除く前記基板の裏面の面積に対して、前記絶縁膜上以外に形成された前記裏面電極の面積の割合が２５％以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光ダイオード。
前記絶縁膜が形成された領域を除く前記基板の裏面の面積に対して、前記絶縁膜上以外に形成された前記裏面電極の面積の割合が１５％以下であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光ダイオード。
Ｌ≦１．５ｔであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体発光ダイオード。
Ｌ≦１．０ｔであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体発光ダイオード。
発光波長に対し透明である導電性の基板と、
前記基板上に形成され、発光層を含む半導体層と、
前記半導体層上に形成された表面電極と、
前記基板の裏面に形成された複数の裏面電極とを備え、
隣接する前記裏面電極間の距離をＬとし、前記複数の裏面電極と前記発光層との距離をｔとすると、Ｌ≦２ｔであり、
前記基板の裏面の面積に対して前記複数の裏面電極の面積の割合が４０％以下であることを特徴とする半導体発光ダイオード。
前記裏面電極の形状がくし状であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体発光ダイオード。
前記裏面電極の形状が網目状であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体発光ダイオード。