JP2008226866A - Gallium nitride based light-emitting diode element and light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、GaN系半導体を用いて発光素子構造を構成したGaN系LED素子、および、GaN系LED素子を用いた発光装置に関する。 The present invention relates to a GaN-based LED element having a light-emitting element structure using a GaN-based semiconductor, and a light-emitting device using the GaN-based LED element.
GaN系半導体は、化学式AlaInbGa1−a−bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で表される化合物半導体であり、3族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。pn接合構造、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造などの発光素子構造をGaN系半導体で構成したGaN系LED素子は、緑色〜近紫外の光を発生することが可能であり、これまで、信号機やディスプレイ装置等の用途で実用化されている。現在、GaN系LED素子を照明用途に適用するための研究開発が盛んとなっているが、実用化のためには更なる高出力化が必要とされている。 A GaN-based semiconductor is a compound semiconductor represented by the chemical formula Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1), and is a group III nitride semiconductor Also called a nitride-based semiconductor. A GaN-based LED element in which a light-emitting element structure such as a pn junction structure, a double hetero structure, or a quantum well structure is configured by a GaN-based semiconductor can generate green to near-ultraviolet light. It has been put to practical use in applications such as equipment. At present, research and development for applying GaN-based LED elements to lighting applications are actively performed, but higher output is required for practical use.
従来技術に係るGaN系LED素子として、図12に断面図を示すGaN系LED素子10のように、基板11と、該基板上に形成された複数のGaN系半導体層からなる半導体積層体12とを有し、該半導体積層体12には、前記基板11から最も離れた位置に配置されたp型層12−3と、該p型層12−3と前記基板11との間に配置された発光層12−2と、前記p型層12−3とで前記発光層12−2を挟むように配置されたn型層12−1とが含まれており、前記p型層12−3上にオーミック電極として透光性の導電性酸化物膜14が形成され、該導電性酸化物膜14上に正パッド電極15が形成された構成を有するGaN系LED素子が公知である。このような、インジウム錫酸化物(ITO)などからなる導電性酸化物膜を電極に用いたGaN系LEDにおいて、導電性酸化物膜上に形成されるパッド電極による光吸収が、LED素子の高出力化を妨げる要因のひとつとして指摘され、その対策として、パッド電極を反射率の高い金属材料を用いて形成することが提案されている(特許文献1)。なお、パッド電極とは、ボンディングワイヤ、導電性ペースト、ろう材(ハンダ、共晶)などといった、外部電極との接続に用いられる材料が、接合される電極である。
しかしながら、本発明者等が研究した結果、金属材料は、いくら反射率の良好なものであっても、光吸収体としての作用が強く、パッド電極の反射性の向上のみに頼ったのでは、GaN系LED素子の光出力の改善には限界があることが分かってきた。本発明はかかる事情に鑑みなされたもので、その主な目的は、パッド電極による光吸収を軽減し得る構造を備えたGaN系LED素子を提供することである。 However, as a result of the study by the present inventors, the metal material has a strong effect as a light absorber, no matter how good the reflectance, and only relying on the improvement of the reflectivity of the pad electrode, It has been found that there is a limit to improving the light output of GaN-based LED elements. The present invention has been made in view of such circumstances, and a main object thereof is to provide a GaN-based LED element having a structure capable of reducing light absorption by a pad electrode.
上記課題を達成するために、本発明は、次の特徴を有するGaN系LED素子を提供するものである。
(1)基板と、該基板上に形成された複数のGaN系半導体層からなる半導体積層体とを有し、該半導体積層体には、前記基板から最も離れた位置に配置されたp型層と、該p型層と前記基板との間に配置された発光層と、前記p型層とで前記発光層を挟むように配置されたn型層とが含まれているGaN系LED素子において、前記p型層上には、透光性の導電性酸化物膜と、正パッド電極と、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とを電気的に接続するための接続電極とが形成されており、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とは相互に重なっておらず、前記正パッド電極から前記p型層への電流の供給が前記導電性酸化物膜を通して行われることを特徴とする、GaN系LED素子。
(2)前記接続電極が、導電性酸化物からなり、透光性を有している、前記(1)に記載のGaN系LED素子。
(3)前記接続電極が、前記導電性酸化物膜よりも大きな膜厚を有している、前記(2)に記載のGaN系LED素子。
(4)前記接続電極が金属膜であるとともに、その一部が前記導電性酸化物膜と重なっており、前記金属膜である接続電極と前記導電性酸化物膜とが重なった部分の面積が、前記正パッド電極の面積の50%以下である、前記(1)に記載のGaN系LED素子。
(5)前記正パッド電極と前記p型層との接触が非オーミック性である、前記(1)〜(4)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(6)前記正パッド電極に接する前記p型層の表面が高抵抗化処理されている、前記(1)〜(4)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(7)前記正パッド電極と前記p型層との間が絶縁されている、前記(1)〜(4)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(8)前記正パッド電極が、Al、Agまたは白金族元素を主成分とする反射層を有する、前記(1)〜(7)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(9)前記正パッド電極と接する前記p型層の表面がテクスチャ化面である、前記(1)〜(8)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(10)前記p型層上に、前記導電性酸化物膜、前記正パッド電極および前記接続電極のいずれにも覆われておらず、かつ、表面がテクスチャ化された領域が設けられている、前記(1)〜(9)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(11)前記n型層に接続され、前記正パッド電極と同一面側に形成された負電極を有しており、該負電極が、前記n型層に接しており、電流の面方向の拡散を促進させるための延長部を備えた、導電性酸化物からなる透光性の下側負電極層と、該下側負電極層の上に形成された、接続材料を接合するための、金属材料からなる上側負電極層と、を有している、前記(1)〜(10)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(12)前記基板が透光性を有している、前記(1)〜(11)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(13)前記基板が金属材料からなる、前記(1)〜(11)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(14)前記(12)に記載のGaN系LED素子をフリップチップ実装してなる発光装置。
In order to achieve the above object, the present invention provides a GaN-based LED element having the following characteristics.
(1) A p-type layer having a substrate and a semiconductor stacked body formed of a plurality of GaN-based semiconductor layers formed on the substrate, the semiconductor stacked body being disposed at a position farthest from the substrate A GaN-based LED element comprising: a light emitting layer disposed between the p-type layer and the substrate; and an n-type layer disposed so as to sandwich the light emitting layer between the p-type layer A translucent conductive oxide film, a positive pad electrode, and a connection electrode for electrically connecting the conductive oxide film and the positive pad electrode are formed on the p-type layer. The conductive oxide film and the positive pad electrode do not overlap each other, and current is supplied from the positive pad electrode to the p-type layer through the conductive oxide film. A GaN-based LED element.
(2) The GaN-based LED element according to (1), wherein the connection electrode is made of a conductive oxide and has translucency.
(3) The GaN-based LED element according to (2), wherein the connection electrode has a larger film thickness than the conductive oxide film.
(4) The connection electrode is a metal film, part of which overlaps with the conductive oxide film, and the area of the part where the connection electrode which is the metal film overlaps with the conductive oxide film is The GaN-based LED element according to (1), which is 50% or less of the area of the positive pad electrode.
(5) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (4), wherein the contact between the positive pad electrode and the p-type layer is non-ohmic.
(6) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (4), wherein the surface of the p-type layer in contact with the positive pad electrode is subjected to a high resistance treatment.
(7) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (4), wherein the positive pad electrode and the p-type layer are insulated.
(8) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (7), wherein the positive pad electrode has a reflective layer mainly composed of Al, Ag, or a platinum group element.
(9) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (8), wherein a surface of the p-type layer in contact with the positive pad electrode is a textured surface.
(10) On the p-type layer, a region that is not covered by any of the conductive oxide film, the positive pad electrode, and the connection electrode and has a textured surface is provided. The GaN-based LED element according to any one of (1) to (9).
(11) having a negative electrode connected to the n-type layer and formed on the same side as the positive pad electrode, the negative electrode being in contact with the n-type layer, A translucent lower negative electrode layer made of a conductive oxide, provided with an extension for promoting diffusion, and a connecting material formed on the lower negative electrode layer; A GaN-based LED element according to any one of (1) to (10), comprising an upper negative electrode layer made of a metal material.
(12) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (11), wherein the substrate has translucency.
(13) The GaN-based LED element according to any one of (1) to (11), wherein the substrate is made of a metal material.
(14) A light-emitting device obtained by flip-chip mounting the GaN-based LED element according to (12).
本発明の実施形態に係るGaN系LED素子は、発光出力に優れたものとなるので、照明用途をはじめとする、高出力が要求される用途において、好適に用いることができる。 Since the GaN-based LED element according to the embodiment of the present invention is excellent in light emission output, it can be suitably used in applications that require high output, such as illumination applications.
本発明を説明する際に、GaN系LED素子を構成する部材が透光性である、あるいは、透光性を有しているという場合には、当該GaN系LED素子に通電したときに発光層から放出される光に対して、当該部材が透過性を示すことを意味する。透光性は、透過率が100%であることを意味するものではないし、また、曇りなく透き通っていることを意味するものでもない。 In explaining the present invention, when the member constituting the GaN-based LED element is translucent or has translucency, the light-emitting layer when the GaN-based LED element is energized This means that the member exhibits transparency to the light emitted from. Translucency does not mean that the transmittance is 100%, nor does it mean that it is transparent without being clouded.
本発明の好適な実施形態に係るGaN系LED素子は、基板と、該基板上に形成された複数のGaN系半導体層からなる半導体積層体とを有し、該半導体積層体には、前記基板から最も離れた位置に配置されたp型層と、該p型層と前記基板との間に配置された発光層と、前記p型層とで前記発光層を挟むように配置されたn型層とが含まれているGaN系LED素子であって、前記p型層上には、透光性の導電性酸化物膜と、正パッド電極と、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とを電気的に接続するための接続電極とが形成されており、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とは相互に重なっておらず、前記正パッド電極から前記p型層への電流の供給が前記導電性酸化物膜を通して行われる、という特徴的な構成を有している。かかる構成を有するGaN系LED素子の構造例を図1および図2に示す。図1(a)はLED素子をGaN系半導体層の積層体が形成された側から見た平面図であり、図1(b)は、図1(a)のX−X線の位置における断面図であり、図2は、図1(a)のY−Y線の位置における断面図である。 A GaN-based LED element according to a preferred embodiment of the present invention includes a substrate and a semiconductor stacked body including a plurality of GaN-based semiconductor layers formed on the substrate, and the semiconductor stacked body includes the substrate. A p-type layer disposed farthest from the substrate, a light-emitting layer disposed between the p-type layer and the substrate, and an n-type disposed so as to sandwich the light-emitting layer between the p-type layer A GaN-based LED element including a light-transmitting conductive oxide film, a positive pad electrode, the conductive oxide film, and the positive pad electrode on the p-type layer. And the conductive oxide film and the positive pad electrode do not overlap each other, and a current from the positive pad electrode to the p-type layer is formed. Is supplied through the conductive oxide film. An example of the structure of a GaN-based LED element having such a configuration is shown in FIGS. FIG. 1A is a plan view of the LED element as viewed from the side on which the GaN-based semiconductor layer stack is formed, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line YY in FIG.
GaN系LED素子100は、図1(b)および図2に断面図を示すように、基板101と、その上に形成された複数のGaN系半導体からなる半導体積層体102とを有している。この半導体積層体102には、基板101側から順に、n型層102−1と、発光層102−2と、p型層102−3とが含まれている。部分的に露出したn型層102−1の表面には、オーミック電極であり、かつパッド電極を兼用する、負電極103が形成されている。p型層102−3上には、オーミック電極である透光性の導電性酸化物膜104と、正パッド電極105と、この導電性酸化物膜104と正パッド電極105とを電気的に接続する接続電極106と、が形成されている。導電性酸化物膜104と正パッド電極105は、相互に重ならないように形成されている。
The GaN-based
正パッド電極105からp型層102−3への電流の供給が、導電性酸化物膜104を通して行われるように、好ましい実施形態では、正パッド電極105とp型層102−3との接触が、非オーミック性とされる。例えば、正パッド電極105の、少なくともp型層102−3と接する部分を、Al(アルミニウム)、Ti(チタン)、W(タングステン)、V(バナジウム)などの金属で形成すると、非オーミック性の接触が形成されるために、正パッド電極105とp型層102−3との接触抵抗が高くなり、その結果、正パッド電極105からp型層102−3への電流の供給が、主として導電性酸化物膜104を通して行われることになる。
In the preferred embodiment, the contact between the
他の好ましい実施形態では、正パッド電極105からp型層102−3への電流の供給が、導電性酸化物膜104を通して行われるようにするために、正パッド電極105に接するp型層102−3の表面がプラズマ処理される。このプラズマ処理は、ハロゲン系のガス(例えば、Cl2、SiCl4、BCl3等)を用いたドライエッチング処理を含む。表面の自然酸化膜の除去のみを行ったp型GaN系半導体の表面に形成したときには低い接触抵抗を示す電極(例えば、Ni/Au電極)が、ドライエッチング処理を施したp型GaN系半導体の表面に形成したときには高い接触抵抗を示すことが知られている。これは、ドライエッチング処理されたp型GaN系半導体の表面が、非オーミック性となる、あるいは、高抵抗化するからであるといわれている。また、このプラズマ処理は、高い腐食性を有さないガス(Ar、H2等)を原料としたプラズマへの暴露であってもよい。自然酸化膜の除去のみを行ったp型GaN系半導体の表面に形成したときには低い接触抵抗を示す電極が、かかるプラズマへの暴露を自然酸化膜が除去される程度を超えて行ったp型GaN系半導体の表面に形成したときには、高い接触抵抗を示すことが知られている。これは、結晶構造が物理的にダメージを受けることにより高抵抗化した表面層が形成されるからであるといれわれている。上記のプラズマ処理は、一般的なRIE(反応性イオンエッチング)装置やプラズマエッチング装置を用いて行うことができる。
In another preferred embodiment, the p-
他の好ましい実施形態では、正パッド電極105からp型層102−3への電流の供給が、導電性酸化物膜104を通して行われるようにするために、正パッド電極105とp型層102−3との間が絶縁される。この絶縁は、例えば、正パッド電極105とp型層102−3との間に絶縁性薄膜を挿入することにより、行うことができる。この絶縁性薄膜は、真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの方法で形成した、金属酸化物、金属窒化物、金属酸窒化物、金属フッ化物などの薄膜であってよい。この絶縁性薄膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、スピネル、窒化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、フッ化マグネシウム、フッ化リチウムなどを用いて好ましく形成することができる。この絶縁性薄膜は多層構造とすることもできる。
In another preferred embodiment, the
GaN系LED素子100を用いて発光装置を構成する場合、LED素子の半導体積層体102側の面が発光装置の光取出し方向を向くように、GaN系LED素子100を基板、スラグ、リードフレーム、ユニット基板などの実装基材の表面上に固定することができる。また、基板101が透光性基板である場合には、LED素子の基板101側の面が発光装置の光取出し方向を向くように、GaN系LED素子100を実装基材の表面上に固定することもできる。後者の実装形態をフリップチップ実装という。
When a light-emitting device is configured using the GaN-based
GaN系LED素子100では、導電性酸化物膜104と正パッド電極105とが相互に重なっておらず、かつ、正パッド電極105からp型層102−3への電流の供給が導電性酸化物膜104を通して行われるので、正パッド電極105の直下では、発光層102−2への電流の供給が不十分となる結果、光の発生が抑制される。正パッド電極の直下で発生する光は、正パッド電極による吸収を強く受けることになるが、GaN系LED素子100では、この光の発生を予め抑えること(この光の発生に費やされる電流を削減すること)によって、損失を減らし、発光出力を改善しているわけである。このような、正パッド電極により吸収され易い光の発生を予め抑えることによる出力の改善効果は、とりわけ、GaN系LED素子100をフリップチップ実装した発光装置を構成したときに、顕著に現れることになる。
In the GaN-based
GaN系LED素子100を、その半導体積層体102側の面が光取出し方向を向くように実装して構成した発光装置において、正パッド電極105の直下での光の発生を抑制することによる出力改善効果が現れることは明らかである。かかる発光装置においては、正パッド電極の直下で発生する光は、当該正パッド電極によって、吸収だけではなく、遮蔽を受けるために、光取出し方向に効率的に取出すことができない。よって、このような光の発生を予め抑えることによる損失低減の効果が、より顕著となる。
In a light-emitting device configured by mounting the GaN-based
また、正パッド電極105とp型層102−3との間に絶縁性薄膜を挿入した場合には、発光層102−2で発生した後、半導体積層体102内を層方向に伝播する光が、正パッド電極106により吸収され難くなるという効果も期待できる。
Further, when an insulating thin film is inserted between the
接続電極106の材料に特に限定はなく、任意の導電性材料を用いて形成することができる。接続電極106を金属膜で形成すると、十分な導電性が得られる。この場合、正パッド電極105と接続電極106との接点部分は、GaN系LED素子100のように、正パッド電極105が接続電極106の上に重なった構成であってもよいし、図3に示すように、正パッド電極105の上に接続電極106が重なった構成としてもよい。あるいは、図4に示すように、正パッド電極105を、下側パッド電極層105−1と上側パッド電極層105−2とからなる2層構造とし、下側パッド電極層105−1と上側パッド電極層105−2との間に接続電極106が挟まれた構成としてもよい。
There is no particular limitation on the material of the
接続電極106を金属膜とする場合、接続電極106と導電性酸化物膜104とが重なった部分の面積は、例えば、正パッド電極105の面積の1%〜80%とすることができる。この面積が大きすぎると、接続電極106による光吸収のために、素子の発光出力が低くなる。したがって、接続電極106を金属膜とする場合には、接続電極106と導電性酸化物膜104とが重なった部分の面積は、好ましくは、正パッド電極105の面積50%以下であり、より好ましくは25%以下であり、更に好ましくは10%以下である。
When the
接続電極106は、発光層102−2から放出される光を吸収しないように、導電性酸化物を用いて透光性となるように形成することもできる。この場合、接続電極の直列抵抗に起因してLED素子の動作電圧(順方向電圧)が高くならないように、接続電極106の膜厚を導電性酸化物膜104の膜厚より大きくすることが望ましい。
The
負電極103、導電性酸化物膜104、正パッド電極105、接続電極106の平面形状や平面配置は、種々変形することができる。図5に示すように、接続電極106は、曲がった形状とすることができる。図6に示すように、接続電極106の数はひとつだけであってもよい。この図6の例では、正パッド電極105が方形のLED素子面の角の部分に配置されている。図7に示すように、方形のLED素子面の角の部分に正パッド電極105を配置し、2つの帯状の接続電極106を、相互に直交する方向に形成してもよい。この図7の例では、負電極103も、方形のLED素子面の角の部分に配置されている。図8に示す例では、方形のLED素子面の縁部に方形状の正パッド電極105が配置され、帯状の接続電極106が正パッド電極105の下からLED素子面の内側の方向に伸びている。図9に示す例では、正パッド電極105が2つ形成されている。図10に示すように、接続電極106は、正パッド電極105の外周形状に沿った帯状に形成することもできる。
The planar shape and planar arrangement of the
ところで、図8および図9の例では、負電極103が2つの部分から形成されており、電流の面方向の拡散を促進させるための、細長く伸びる延長部を備えた下側負電極層103−1と、ボンディングワイヤなどの接続材料を接合するための上側負電極層103−2とを有している。好ましくは、延長部を備えた下側負電極層103−1は、発光層102−2から放出される光を吸収しないように、導電性酸化物を用いて透光性となるように形成する。上側負電極層103−2は金属材料で形成する。
By the way, in the example of FIGS. 8 and 9, the
導電性酸化物膜104と接続電極106との接触面積や、正パッド電極105と接続電極106との接触面積を、小さくし過ぎると、接触抵抗の増加に起因した、GaN系LED素子100の動作電圧(順方向電圧)の上昇が起こる。また、接続電極106の断面積を小さくし過ぎたときには、接続電極の直列抵抗の増加に起因した、GaN系LED素子100の動作電圧の上昇が起こる。従って、導電性酸化物膜と接続電極との接触面積、正パッド電極と接続電極との接触面積、および、接続電極の断面積は、実用上問題となるようなLED素子の動作電圧の上昇が起こらない程度に、大きくする。
If the contact area between the
図11には、本発明の一実施形態に係る、導電性基板を用いたGaN系LED素子の構造例を示す。図11(a)はLED素子をGaN系半導体層の積層体が形成された側から見た平面図であり、図11(b)は図11(a)のX−X線の位置における断面図である。GaN系LED素子200は、図11(b)に断面図を示すように、基板201と、その上に形成された複数のGaN系半導体層からなる半導体積層体202とを有している。半導体積層体202には、基板201側から順に、n型層202−1と、発光層202−2と、p型層202−3とが含まれている。基板201の裏面には負電極203が形成されている。p型層202−3上には、透光性の導電性酸化物膜204と正パッド電極205とが相互に重ならないように形成されており、接続電極206が、これらの間を電気的に接続している。接続電極206は、金属材料または導電性酸化物で形成されている。
FIG. 11 shows a structural example of a GaN-based LED element using a conductive substrate according to an embodiment of the present invention. FIG. 11A is a plan view of the LED element as viewed from the side on which the GaN-based semiconductor layer stack is formed, and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. It is. As shown in the sectional view of FIG. 11B, the GaN-based
次に、GaN系LED素子100の製造方法について説明する。
GaN系LED素子100は、基板101の上に、MOVPE法(有機金属化合物気相成長法)、MBE法(分子ビームエピタキシー法)、HVPE法(ハイドライド気相成長法)などを用いてGaN系半導体結晶をエピタキシャル成長させて、半導体積層体102を形成することにより、製造することができる。この場合には、基板101として、サファイア、スピネル、炭化ケイ素、ケイ素、GaN系半導体(GaN、AlGaNなど)、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、LGO、NGO、LAO、ホウ化ジルコニウム、ホウ化チタンなどの材料からなる結晶基板(単結晶基板、テンプレート)を、好ましく用いることができる。透光性の基板としては、発光層102−2から放出される光の波長に応じて、サファイア、スピネル、炭化ケイ素、GaN系半導体、リン化ガリウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、LGO、NGO、LAOなどから選択される材料で構成される基板を好ましく用いることができる。また、導電性の基板としては、炭化ケイ素、ケイ素、GaN系半導体、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、酸化ガリウム、酸化亜鉛、ホウ化ジルコニウム、ホウ化チタンなどからなる基板を、好ましく用いることができる。基板101の上にGaN系半導体結晶をエピタキシャル成長させるにあたっては、バッファ層技術を用いることが推奨される。好ましいバッファ層として、GaN系半導体で形成する低温バッファ層や高温バッファ層が例示される。GaN系半導体結晶のラテラル成長を発生させるために、基板101の表面に酸化ケイ素などからなるマスクを部分的に形成したり、あるいは、基板101の表面を凹凸状に加工するといったことは、任意に行うことができる。
Next, a method for manufacturing the GaN-based
The GaN-based
基板101上にGaN系半導体からなる半導体積層体102を形成する他の方法として、成長用基板の上にエピタキシャル成長法によりn型層102−1、発光層102−2、p型層102−3をこの順に形成して半導体積層体102を得た後、エッチング、研削、研磨、レーザリフトオフなどの方法を用いて、該半導体積層体102から成長用基板を取り除き、露出したn型層102−1の表面に、別途準備した基板101を貼り合わせる方法を用いることができる。あるいは、同様の方法で半導体積層体102を形成し、成長用基板を取り除いた後、露出したn型層102−1の表面にシード層を形成したうえで、電解メッキまたは無電解メッキによって金属層を50μm以上の厚さに堆積させ、該金属層を基板101とする方法も採用可能である。これらの方法では、成長用基板として、上記例示した結晶基板を好ましく用いることができる。n型層102−1の表面に貼り合わせることのできる基板の種類や、貼り合わせの方法に限定はなく、従来公知の技術を適宜参照することができる。具体的には、基板の種類として、上記例示した結晶基板や、金属基板、ガラス基板などが例示される。貼り合わせの方法としては、導電性接着剤(導電ペースト、ろう材)を用いる方法、絶縁性接着剤を用いる方法、ダイレクトウェハボンディングなどが例示される。基板101をメッキ法を用いて形成する場合には、その材料として、Au(金)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Ag(銀)などが好ましく例示される。
As another method of forming the semiconductor stacked
n型層102−1の形成時には、Si、Geなどのn型不純物を添加することが好ましい。また、p型層102−3の形成時には、Mg、Znなどのp型不純物を添加することが好ましい。p型層102−3の形成後、添加したp型不純物の活性化を促進させるために、アニーリング処理、電子線照射処理などを行うことができる。発光層102−2は、その導電型により限定されるものではなく、例えば、不純物無添加の層であってもよいし、不純物の添加によってn型またはp型の導電性を付与した層であってもよいし、n型層とp型層が混在した積層体であってもよい。n型層102−1、発光層102−2、p型層102−3を構成するGaN系半導体の組成に限定はなく、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaNなど、任意の組成を有するGaN系半導体を用いて構成することができる。好ましくは、ダブルヘテロ構造が形成されるように、発光層とそれを挟む層を構成するGaN系半導体の組成を選択する。発光層は、量子井戸構造とすることが好ましく、特に、障壁層と井戸層を交互に積層した多重量子井戸構造とすることが好ましい。n型層102−1、発光層102−2、p型層102−3のそれぞれは、厚さ方向に均質である必要はなく、各層の内部において、不純物濃度、結晶組成などが厚さ方向に連続的また
は不連続的に変化していてもよい。また、各層の間に付加的な層を設けることもできる。
When forming the n-type layer 102-1, it is preferable to add an n-type impurity such as Si or Ge. Further, it is preferable to add a p-type impurity such as Mg or Zn when forming the p-type layer 102-3. After the formation of the p-type layer 102-3, annealing treatment, electron beam irradiation treatment, or the like can be performed in order to promote activation of the added p-type impurity. The light emitting layer 102-2 is not limited by its conductivity type, and may be, for example, a layer with no added impurities, or a layer imparted with n-type or p-type conductivity by the addition of impurities. Alternatively, a laminated body in which an n-type layer and a p-type layer are mixed may be used. There is no limitation on the composition of the GaN-based semiconductor constituting the n-type layer 102-1, the light-emitting layer 102-2, and the p-type layer 102-3, and a GaN-based semiconductor having an arbitrary composition such as GaN, AlGaN, InGaN, or AlInGaN can be used. Can be configured. Preferably, the composition of the GaN-based semiconductor constituting the light emitting layer and the layers sandwiching the light emitting layer is selected so that a double heterostructure is formed. The light emitting layer preferably has a quantum well structure, and particularly preferably has a multiple quantum well structure in which barrier layers and well layers are alternately stacked. Each of the n-type layer 102-1, the light emitting layer 102-2, and the p-type layer 102-3 does not have to be uniform in the thickness direction, and the impurity concentration, crystal composition, and the like are in the thickness direction inside each layer. It may change continuously or discontinuously. Moreover, an additional layer can also be provided between each layer.
半導体積層体102は、例えば、次のような構成とすることができる。
n型層102−1:膜厚4μm、電子濃度5×1018cm−3のSiドープGaN層。
発光層102−2:膜厚8nmのGaN障壁層と膜厚2nmのInGaN井戸層とを、最上層および最下層が障壁層となるように、かつ、含まれる井戸層の層数が2〜20となるように、交互に積層した多重量子井戸層。
p型層102−3:発光層102−2に接するp型クラッド層と、その上に積層されたp型コンタクト層とからなる2層構造の積層体。p型クラッド層は、膜厚100nm、Mg濃度5×1019cm−3のMgドープAl0.1Ga0.9N層。p型コンタクト層は、膜厚200nm、Mg濃度1×1020cm−3のMgドープGaN層。
For example, the semiconductor stacked
n-type layer 102-1: Si-doped GaN layer having a film thickness of 4 μm and an electron concentration of 5 × 10 18 cm −3 .
Light-emitting layer 102-2: a GaN barrier layer having a thickness of 8 nm and an InGaN well layer having a thickness of 2 nm, the uppermost layer and the lowermost layer being barrier layers, and the number of well layers included is 2 to 20 Multiple quantum well layers stacked alternately so that
p-type layer 102-3: a laminate having a two-layer structure comprising a p-type cladding layer in contact with the light-emitting layer 102-2 and a p-type contact layer laminated thereon. The p-type cladding layer is an Mg-doped Al 0.1 Ga 0.9 N layer having a thickness of 100 nm and an Mg concentration of 5 × 10 19 cm −3 . The p-type contact layer is an Mg-doped GaN layer having a thickness of 200 nm and an Mg concentration of 1 × 10 20 cm −3 .
負電極103は、公知のRIE(反応性イオンエッチング)技術を用いてp型層102−3、発光層102−2を部分的に除去し、それによって露出するn型層102−1の表面に形成することができる。負電極103の材料や形成方法については、公知技術を参照することができる。好ましい実施形態では、負電極103の、少なくともn型層102−1と接する部分を、Ti(チタン)、Al(アルミニウム)、W(タングステン)、V(バナジウム)などの単体、または、これらから選ばれる1種以上の金属を含む合金を用いて形成することができる。外部電極との接続が容易となるように、負電極103には、表層として、Ag(銀)、Au(金)、Sn(錫)、In(インジウム)、Bi(ビスマス)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)などからなる層を設けることが好ましい。負電極103とn型層102−1との間に、導電性酸化物材料からなる薄層を介在させることもできる。負電極103の膜厚は、例えば、0.2μm〜10μmとすることができるが、好ましくは、0.5μm〜2μmである。負電極103の形成は、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法などを用いて行うことができる。負電極103の形成は、p型層102−3上に導電性酸化物膜104などを形成した後に行ってもよい。
The
導電性酸化物膜104は、Zn(亜鉛)、In(インジウム)、Sn(錫)およびMg(マグネシウム)から選ばれる少なくともひとつの元素を含む酸化物で形成することができる。具体的には、ITO(インジウム錫酸化物)、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛、酸化マグネシウムなどが好ましく例示される。特に好ましいのはITOである。導電性酸化物膜104の膜厚は、例えば、0.1μm〜1μmとすることができるが、好ましくは、0.2μm〜0.5μmである。更に、発光層102−2から放出される光の波長に応じて、無反射膜条件が達成されるように膜厚を調整することが望ましい。導電性酸化物膜104は、全体または一部を多層構造とすることも可能である。導電性酸化物膜104は、発光層102−2から放出される光の波長における透過率が、80%以上となるように形成することが好ましい。この透過率は、より好ましくは85%以上であり、更に好ましくは90%以上である。導電性酸化物膜104は、抵抗率が1×10−4Ωcm以下となるように形成することが望ましい。導電性酸化物膜104の形成方法に限定はなく、従来公知の方法を任意に用いて形成することができる。具体的には、スパッタリング法、反応性スパッタリング法、真空蒸着法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、CVD法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法などが例示される。導電性酸化物膜104は、成膜後、必要に応じて熱処理を行ってもよい。導電性酸化物膜104の製造方法については、特許文献1などを参照することもできる。導電性酸化物膜104のパターニングは、リフトオフ法を用いて行うことができる。あるいは、導電性酸化物膜104は、p型層102−3上の全面に形成した後、不要部分をフォトリソグラフィとエッチングの技法を用いて除去することによって、パターニングすることもできる。
The
導電性酸化物膜104の形成後、接続電極106を形成する。接続電極106を金属で形成する場合の好ましい材料としては、白金族(Rh、Pt、Pd、Ir、Ru、Os)、Ni(ニッケル)、Ti(チタン)、W(タングステン)、Ag(銀)、Al(アルミニウム)などが例示される。接続電極106を導電性酸化物で形成する場合、導電性酸化物膜104に用いることができる導電性酸化物を任意に用いて形成することができる。好ましくは、熱応力が発生しないように、導電性酸化物膜104と接続電極106とを、同種の導電性酸化物で形成する。接続電極を白金族、Ni、Ag、導電性酸化物などで形成する場合、接続電極とp型層との接触抵抗が高くなるように、接続電極と接するp型層の表面をプラズマ処理したり、接続電極とp型層との間を絶縁することが望ましい。接続電極を金属膜とする場合の膜厚は、例えば、0.005〜0.2μmとすることができる。接続電極の形成は、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法などを用いて行うことができる。接続電極は多層構造とすることもできる。
After the formation of the
接続電極106の形成後、正パッド電極105を形成する。正パッド電極105の材料は特に限定されないが、好ましい実施形態では、正パッド電極105の、少なくとも導電性酸化物膜104に接する部分を、白金族(Rh、Pt、Pd、Ir、Ru、Os)、Ni(ニッケル)、Ti(チタン)、W(タングステン)、Ag(銀)、Al(アルミニウム)などを用いて形成することができる。ただし、白金族、Ni、Agなどを用いる場合には、正パッド電極105とp型層102−3との間の接触抵抗を高くするために、p型層102−3の表面に前述のプラズマ処理を施したり、あるいは、正パッド電極105とp型層102−3との間を絶縁することが望ましい。さもないと、正パッド電極105からp型層102−3に直接流れる電流が多くなり、発光出力の改善効果が小さくなる。正パッド電極105の、発光層102−2側の部分には、当該正パッド電極による光吸収を低減するために、光反射率の良好な金属であるAl、Agまたは白金族元素を主成分として構成した反射層を設けることが好ましい。また、外部電極との接続が容易となるように、正パッド電極105には、表層として、Ag(銀)、Au(金)、Sn(錫)、In(インジウム)、Bi(ビスマス)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)などからなる層を設けることが好ましい。正パッド電極105の膜厚は、例えば、0.2μm〜10μmとすることができるが、好ましくは、0.5μm〜2μmである。正パッド電極105の形成は、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法などを用いて行うことができる。
After the
正パッド電極105とp型層102−3との間の接触抵抗を高くするために、p型層102−3の表面に対して行うプラズマ処理の一例として、RIE(反応性イオンエッチング)によりp型層102−3の表層部分をエッチング除去する処理が挙げられる。この処理により除去するp型層の厚さは、例えば、1nm〜100nmとすることができる。ところで、多結晶質の導電性酸化物膜の表面は凹凸状となる傾向があるが、例えば、500℃以上で熱処理した、多結晶構造の発達したITO膜の上からRIE処理を行うことにより、ITO膜を除去してp型層を露出させると、露出したp型層の表面が微細な凹凸を有するテクスチャ化面となる。この方法により、あるいは他の方法を用いて、テクスチャ化したp型層の表面上に正パッド電極を形成すると、正パッド電極がp型層の表面に強固に密着し、脱落し難くなるという効果が得られる。ただし、テクスチャ化面上に正パッド電極を形成すると、正パッド電極の光反射性が低下するという問題もある。正パッド電極の光反射性を高くする観点からは、p型層の表面のうち正パッド電極と接する部分は、算術平均粗度Raを指標とした表面粗度が0.01μm以下の鏡面とすることが好ましい。なお、GaN系LED素子100では、p型層102−3の上面の縁部が導電性酸化物膜104に覆われずに露出しているが、上記の導電性酸化物膜上からのRIE処理によってこの露出面をテクスチャ化することにより、発光出力を改善することも可能である。
As an example of plasma processing performed on the surface of the p-type layer 102-3 in order to increase the contact resistance between the
正パッド電極105の平面形状は特に限定されないが、ワイヤボンディング用とする場合には、縦横比の小さい形状とすることが好ましく、円形の他、正三角形、正方形、正五角形、正六角形などの正多角形、あるいは、これらを組み合わせた形状が好ましく例示される。現在の技術水準では、ワイヤボンディングのためには、パッド電極が直径60μmの円を包含するサイズおよび形状を有することが必要といわれているが、将来的には、ワイヤボンディングが可能なパッド電極のサイズが今より小さくなるであろうことはほぼ確実である。導電性ペーストやろう材を用いて外部電極との接続を行う場合には、正パッド電極105の形状やサイズは、接続の相手となる外部電極の形状やサイズ、接続に用いる装置の性能に応じて設定することができる。
The planar shape of the
図1および図2には示していないが、負電極103、導電性酸化物膜104、接続電極106、正パッド電極105の形成が完了した後、負電極103上および正パッド電極105上の領域を除いた、LED素子の半導体積層体102側の表面を透光性の絶縁保護膜で被覆することが望ましい。この絶縁保護膜は、発光層から放出される光の波長において高い透過率を有する、絶縁性の金属酸化物、金属窒化物または金属酸窒化物で形成することが好ましい。GaN系LEDの典型的な発光波長の範囲は350nm〜600nmであるから、この波長範囲における透過率の高い絶縁体が、絶縁保護膜の好適な材料となる。具体的には、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムなどが例示される。絶縁保護膜は、多層膜構造とすることもできる。絶縁保護膜の形成方法に限定はなく、スパッタリング法、CVD法、真空蒸着法などの公知の方法を用いることができる。特に好ましい方法としては、ピンホールがなく、密着性の良好な膜を形成できる、プラズマCVD法が挙げられる。
Although not shown in FIGS. 1 and 2, the regions on the
必要に応じて絶縁保護膜の形成を行った後、この分野で通常用いられているウェハ分割の方法(例えば、ダイシング、スクライビング、レーザ加工)を用いてウェハを切断し、GaN系LED素子100をチップ化する。チップのサイズは特に限定されるものではなく、例えば、200μm角〜2mm角とすることができる。チップ形状は方形(正方形、長方形)に限定されるものではなく、平行四辺形、三角形、五角形、六角形などとしてもよい。レーザ加工技術を用いたウェハ分割法の進歩により、様々なチップ形状のLED素子の製造が可能となっている。
After forming an insulating protective film as necessary, the wafer is cut using a wafer division method (for example, dicing, scribing, laser processing) usually used in this field, and the GaN-based
GaN系LED素子100は、SMD(表面実装)型LEDパッケージ、砲弾型ランプ、LED素子が直接ユニット基板に実装されるチップオンボード(COB)型ユニットなど、各種の発光装置に用いることができる。GaN系LED素子100は、基板、スラグ、リードフレーム、ユニット基板などの実装基材上に直接固定してもよいし、サブマウントを介して固定してもよい。
The GaN-based
(付記)
本発明によれば、更に、次の特徴を有するGaN系LED素子が提供される。
(1a)基板と、該基板上に形成された複数のGaN系半導体層からなる半導体積層体とを有し、該半導体積層体には、前記基板から最も離れた位置に配置されたp型層と、該p型層と前記基板との間に配置された発光層と、前記p型層とで前記発光層を挟むように配置されたn型層とが含まれており、前記p型層上には、透光性の導電性酸化物膜と、該導電性酸化物膜と電気的に接続された正パッド電極と、が形成されているGaN系LED素子において、前記n型層に接続され、前記正パッド電極と同一面側に形成された負電極を有しており、該負電極が、前記n型層に接しており、電流の面方向の拡散を促進させるための延長部を備えた、導電性酸化物からなる透光性の下側負電極層と、該下側負電極層の上に形成された、接続材料を接合するための、金属材料からなる上側負電極層と、を有していることを特徴とする、GaN系LED素子。
上記(1a)のGaN系LED素子は、負電極による光吸収が軽減されることにより、発光出力に優れたものとなるので、照明用途をはじめとする、高出力が要求される用途において、好適に用いることができる。
(Appendix)
The present invention further provides a GaN-based LED element having the following characteristics.
(1a) A p-type layer having a substrate and a semiconductor stacked body made of a plurality of GaN-based semiconductor layers formed on the substrate, the semiconductor stacked body being arranged at a position farthest from the substrate A light emitting layer disposed between the p-type layer and the substrate, and an n-type layer disposed so as to sandwich the light-emitting layer between the p-type layer and the p-type layer. A GaN-based LED element having a light-transmitting conductive oxide film and a positive pad electrode electrically connected to the conductive oxide film is connected to the n-type layer. And a negative electrode formed on the same surface side as the positive pad electrode, the negative electrode is in contact with the n-type layer, and an extension for promoting the diffusion of the current in the surface direction is provided. A translucent lower negative electrode layer made of a conductive oxide, and a connection material formed on the lower negative electrode layer Characterized in that it has for engagement, the upper negative electrode layer made of a metal material, a, GaN-based LED element.
The GaN-based LED element (1a) is excellent in light emission output by reducing light absorption by the negative electrode, and is therefore suitable for applications that require high output such as lighting applications. Can be used.
本発明は、本明細書に明示的に記載した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を損なわない範囲内で、種々の変形が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments explicitly described in the present specification, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
100、200 GaN系LED素子
101、201 基板
102、202 半導体積層体
103、203 負電極
104、204 導電性酸化物膜
105、205 正パッド電極
106、206 接続電極
100, 200 GaN-based
Claims (14)
前記p型層上には、透光性の導電性酸化物膜と、正パッド電極と、前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とを電気的に接続するための接続電極とが形成されており、
前記導電性酸化物膜と前記正パッド電極とは相互に重なっておらず、
前記正パッド電極から前記p型層への電流の供給が前記導電性酸化物膜を通して行われることを特徴とする、GaN系LED素子。 A substrate, and a semiconductor laminate composed of a plurality of GaN-based semiconductor layers formed on the substrate, the semiconductor laminate including a p-type layer disposed at a position farthest from the substrate, In a GaN-based LED element including a light emitting layer disposed between a p-type layer and the substrate, and an n-type layer disposed so as to sandwich the light emitting layer between the p-type layer,
A translucent conductive oxide film, a positive pad electrode, and a connection electrode for electrically connecting the conductive oxide film and the positive pad electrode are formed on the p-type layer. And
The conductive oxide film and the positive pad electrode do not overlap each other,
A GaN-based LED element, wherein current is supplied from the positive pad electrode to the p-type layer through the conductive oxide film.
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