JP2009200254A

JP2009200254A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2009200254A
Application number: JP2008040410A
Authority: JP
Inventors: Chisato Furukawa; 千里古川; Takafumi Nakamura; 隆文中村
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Discrete Semiconductor Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Device Solutions Corp
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-09-03

Abstract

【課題】光出力の高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】透光性を有する導電性の基板１１の第１の面１１ａに形成された第１導電型の第１半導体層１２と、第１半導体層１２上に形成された活性層１３と、活性層１３上に形成された第２導電型の第２半導体層１４と、基板１１の第１の面１１ａと対向する基板１１の第２の面１１ｂの第１の領域に形成された絶縁性の反射防止膜１５と、基板１１の第２の面１１ｂの第１の領域を除く第２の領域に形成された第１電極１６と、反射防止膜１５および第１電極１６上に形成された金属反射膜１７と、第２半導体層１４に電気的に接続された第２電極１８と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素に関する。

従来、発光波長に対して透光性を有する導電性基板上に活性層を含む半導体層が形成された半導体発光素子において、基板の裏面全面に電極材を蒸着し、シンターして界面に合金層を形成することにより、オーミック性の電極を得ていた。

然しながら、シンターにより形成される合金層は光の吸収層となるので、活性層から基板側へ放射された光を、基板の裏面で光出射面側へ反射させる効果が期待できず、十分な光出力が得られないという問題があった。

これに対して、活性層から基板側へ放射された光を光出射面側へ反射させるために、基板の裏面に金属の反射膜が形成された半導体発光素子が知られている（例えば特許文献１、または特許文献２参照。）。

特許文献１に開示された半導体発光素子は、透光性を有する導電性基板であるＮ型ＧａＰ基板の主表面上に、発光層部が透明導電層を介して貼り合わされた構造を有している。ＧａＰ基板の主裏面は、例えばＡｇ層よりなるＡｇ系反射金属層にて覆われている。
また、ＧａＰ基板とＡｇ系反射金属層との間には、ＡｇＧｅＮｉコンタクト金属とＧａＰ基板の表面部とが合金化したＡｇＧｅＮｉコンタクト層が、Ａｇ系反射金属層の主表面上に分散形成されている。

然しながら、特許文献１に開示された半導体発光素子は、基板と金属反射膜とが直接接触しているので、半導体発光素子の通電時の発熱などに起因して金属反射膜の原子のマイグレーションが生じる。その結果、金属反射膜の光反射率が低下し、光出力が減少する問題がある。

特許文献２に開示された半導体発光素子は、第１導電型の半導体層上に活性層が形成され、活性層上に第１導電型とは反対の第２導電型の半導体層が形成され、第２導電型の半導体層上に、薄膜のオーミック接触層と、透明導電層と、活性層で生成された光を反射させる高反射金属層を順次積層させている。

高反射金属層を用いて光の高反射率を得ると共に、透明導電層により高反射金属層からの原子のマイグレーションを防止している。

然しながら、特許文献２に開示された半導体発光素子は、薄膜とはいえオーミック接触層よる光の吸収が無視できないこと、および透明導電層（ＩＴＯ膜）は可視域で吸収を持っていることから、透明導電層内での光の多重反射により、光の吸収が増幅される問題がある。
特開２００４−２３５５０５号公報特開２００５−３１７６７６号公報

本発明は、光出力の高い半導体発光素子を提供する。

本発明の一態様の半導体発光素子は、透光性を有する導電性の基板の第１の面に形成された第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型の第２半導体層と、前記基板の前記第１の面と対向する前記基板の第２の面の第１の領域に形成された絶縁性の反射防止膜と、前記基板の前記第２の面の前記第１の領域を除く第２の領域に形成された第１電極と、前記反射防止膜および前記第１電極上に形成された金属反射膜と、前記第２半導体層に電気的に接続された第２電極と、を具備することを特徴としている。

また、本発明の別態様の半導体発光素子は、透光性を有する基板の第１の面に形成された第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層上の第１の領域に形成された絶縁性の反射防止膜と、前記第２半導体層上の前記第１の領域を除く第２の領域に形成されたに形成された第１電極と、前記反射防止膜および前記第１電極上に形成された金属反射膜と、前記第１半導体層に電気的に接続された第２電極と、を具備することを特徴としている。

本発明によれば、光出力の高い半導体発光素子が得られる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１に係る半導体発光素子について、図１を用いて説明する。図１は半導体発光素子を示す断面図である。

図１に示すように、本実施例の半導体発光素子１０は、透光性を有する導電性の基板１１の第１の面１１ａに形成された第１導電型の第１半導体層１２と、第１半導体層１２上に形成された活性層１３と、活性層１３上に形成された第２導電型の第２半導体層１４とを具備している。

更に、基板１１の第１の面１１ａと対向する基板１１の第２の面１１ｂに形成され、貫通孔１５ａを有する絶縁性の反射防止膜１５と、反射防止膜１５の貫通孔１５ａの底部に露出した基板１１の第２の面１１ｂに形成された第１電極１６と、反射防止膜１５および第１電極１６上に形成された金属反射膜１７と、第２半導体層１４に電気的に接続された第２電極１８と、を具備している。

基板１１は、例えばＮ型ＧａＰ基板である。活性層１３は、例えばＩｎＧａＡｌＰ系のＭＱＷ（Multiple Quantum Well）層である。
第１導電型の第１半導体層１２は、例えば複数のＮ型ＩｎＧａＡｌＰ系の積層膜で、ＭＱＷ層１３のＮ型クラッド層（図示せず）、基板１１との接合層（図示せず）などを有している。

第２導電型の第２半導体層１４は、例えば複数のＰ型ＩｎＧａＡｌＰ系の積層膜で、ＭＱＷ層１３のＰ型クラッド層（図示せず）、電流拡散層（図示せず）およびコンタクト層（図示せず）などを有している。

第１半導体層１２、活性層１３および第２半導体層１４は、後述するようにＩｎＧａＡｌＰと格子整合するＧａＡｓ基板上に形成された後、第１半導体層１２がＧａＰの基板１１の第１の面１１ａに接着され、ＧａＡｓ基板が選択的に除去されることにより、基板１１の第１の面１１ａに形成されている。

絶縁性の反射防止膜１５は、（２ｍ−１）λ／４ｎの膜厚を有する誘電体膜である。但しｍは自然数、λは発光層１３の発光波長、ｎは誘電体膜の屈折率である。具体的には、屈折率の異なる複数の誘電体膜を交互に積層した誘電体多層膜である。
周知のように、高屈折率の誘電体と低屈折率の誘電体とを交互に積層した誘電体多層膜を用いた反射防止膜１５は、１％以下の光反射率が容易に得られる。
尚、光反射率は光の入射角度２０°程度まではほぼ一定の値を示すが、光の入射角度が大きくなるほど光反射率は増加する。

高屈折率の誘電体としては、通常ＴｉＯ_２（ｎ〜２．４）、ＺｒＯ_２（ｎ〜２．０）などが用いられ、低屈折率の誘電体としては、通常ＭｇＦ_２（ｎ〜１．３）、ＣａＦ_２（ｎ〜１．４）などが用いられる。
また、半導体装置で多用される絶縁物である、ＳｉＮｘ（ｎ〜２．１）、Ａｌ_２Ｏ_３（ｎ〜１．７５）、ＳｉＯ_２（ｎ〜１．４５）、などを使用することもできる。

第１電極１６は、例えば貫通孔１５に埋め込まれたＡｕＧｅ合金で、基板１１との界面に合金層１６ａを有するオーミック性電極である。
第１電極１６は、基板１１の第２の面１１ｂに分散して形成されている。これは、活性層１３から基板１１側に向かって放射された光をムラなく金属反射板１７に入射させ、半導体発光素子１０から外部への光放射パターンを整えるとともに、所望のコンタクト抵抗を得るのを容易にするためである。

即ち、絶縁性の反射防止膜１５は基板１１の第２の面１１ｂの広い領域に形成され、第１電極１６は反射防止膜１５が形成されていない分散した領域に形成されている。
従って、絶縁性の反射防止膜１５が形成されている領域（第１の領域）の面積は、第１電極１６が形成されている領域（第２の領域）の面積より大きい。

金属反射膜１７は、発光層１３からの光に対して高い反射率を有する金属膜で、例えばアルミニユム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などが適している。
また、金属反射膜１７は第１電極１６と接触しているので、第１電極１６を外部に電気的に接続する接続導体として機能している。

第２電極１８は、例えば第２半導体層１４の中央部に形成されたＡｕＺｎ合金で、基板１１との界面に合金層（図示せず）を有するオーミック性電極である。

活性層１３から基板１１側に向かって放射された光１９は、合金層１６ａに入射するものを除いて、ほぼ全てが反射防止膜１５により第２の面１１ｂで反射されることなく、金属反射膜１７に達する。

金属反射膜１７に達した光１９は、ほぼ全てが金属反射膜１７で反射され、反射防止膜１５により第２の面１１ｂで反射されることなく、活性層１３側へ戻っていく。活性層１３側へ戻った光１９は、多くが第２半導体層１４から外部へ出射される。

これにより、光１９が基板１１と金属反射膜１７との間で多重反射するのが防止されるので、多重反射による反射防止膜１５での光１９の吸収が生じない。その結果、半導体発光素子１０からの光取り出し効率を向上させることが可能である。

同時に、反射防止膜１５は金属反射膜１７の原子に対するバリア膜として機能するので、半導体発光素子１０の通電時の発熱などに起因して、金属反射膜１７の原子のマイグレーションが生じることが防止される。その結果、金属反射膜１７の光反射率が低下することなく、長期間にわたって高い光出力を維持することが可能である。

次に、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。図２および図３は半導体発光素子１０の製造工程を順に示す断面図である。

始めに、図２（ａ）に示すように、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、第２半導体層１４、活性層１３および第１半導体層１２の順に、ＧａＡｓ基板３０上に成長させる。

次に、第１半導体層１２とＧａＰの基板１１の第１の面１１ａとを重ね合わせ、熱処理を施すことにより、第１半導体層１２とＧａＰの基板１１を直接接着する。
次に、ＧａＡｓ基板３０を選択的に除去することにより、ＧａＰの基板１１上に第１半導体層１２、活性層１３および第２半導体層１４が形成される。

次に、図２（ｂ）に示すように、例えば蒸着法およびスパッタリング法により、基板１１の第２の面１１ｂに、ＴｉＯ２とＭｇＦ２とを交互に積層して誘電体多層膜の反射防止膜１５を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、反射防止膜１５上に開口３１ａを有するレジスト膜３１を形成し、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、レジスト膜３１をマスクとして反射防止膜１５をエッチングして貫通孔１５ａを形成し、基板１１の第２の面１１ｂを露出させる。

次に、図３（ａ）に示すように、例えば蒸着法により、レジスト膜３１および露出した基板１１上にＡｕＧｅ合金膜３２を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、レジスト膜３１を除去することにより、基板１１上に形成されたＡｕＧｅ合金膜３２を残置する。
次に、シンター処理を施して、反射防止膜１５の貫通孔１５ａに埋め込まれた第１電極膜１６を形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、反射防止膜１５および第１電極膜１６上に、例えば蒸着法により、アルミニウム膜を蒸着して金属反射膜１７を形成する。

次に、例えば蒸着法により、第２半導体層上にＡｕＺｎ合金膜を蒸着し、パターニングおよびシンター処理を施して、第２電極１８を形成する。これにより、図１に示半導体発光素子１０が完成する。

以上説明したように、本実施例の半導体発光素子１０は、光出射面でない基板１１の第２の面１１ｂに反射防止膜１５を介して形成された金属反射膜１７を具備している。
その結果、基板１１と金属反射膜１７との間で光１９の多重反射が防止されるので、多重反射による反射防止膜１５での光１９の光吸収が生じることなく、半導体発光素子１０からの光取り出し効率を向上させることができる。

また、金属反射膜１７の原子のマイグレーションが防止されるので、基板１１と金属反射膜１７との間に経時的に合金膜が生じることなく、高い光反射率が長期間にわたって維持される。
従って、高い光出力を有する半導体発光素子１０が得られる。大電流で動作する高出力の半導体発光素子に適した構造である。

ここでは、反射防止膜１５が誘電体多層膜である場合について説明したが、（２ｍ−１）λ／４ｎの膜厚を有する単一の誘電体膜でも構わない。単一の誘電体膜の場合、誘電体多層膜より反射率が大きくなるが、反射防止膜の形成が容易になる利点がある。

基板１１がN型ＧａＰである場合について説明したが、Ｐ型ＧａＰを用いることもできる。その場合、第１電極１６にＡｕＺｎ合金を用い、第２電極１８にＡｕＧｅ合金を用いることは言うまでも無い。
その他の透光性を有する導電性の基板、例えばＧａＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅなどを用いることも可能である。

本発明の実施例２に係る半導体発光素子について、図４を用いて説明する。図４は半導体発光素子を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。
本実施例が実施例１と異なる点は、半導体発光素子をフリップチップタイプの半導体発光素子としたことにある。

即ち、図４に示すように、本実施例の半導体発光素子４０は、第２半導体層１４上に形成され、貫通孔４１ａを有する絶縁性の反射防止膜４１と、反射防止膜４１の貫通孔４１ａの底部に露出した第２半導体層１４上に形成された第１電極４２と、反射防止膜４１および第１電極４２上に形成された金属反射膜４３と、第２半導体層１４および活性層１３の一側面側から延伸した第１半導体層１２に電気的に接続された第２電極４４と、を具備している。

第１電極４２は、貫通孔４１ａに埋め込まれたＡｕＺｎ合金で、第２半導体層１４との界面に合金層４２ａを有するオーミック性電極である。第１電極４２は、所望のコンタクト抵抗が得られるように第２半導体層１４上に分散して形成されている。
第２電極４４はＡｕＧｅ合金で、第１半導体層１２との界面に合金層４４ａを有するオーミック性電極である。

更に、第１電極４３上に、ＵＢＭ（Under Barrier Metal）膜（図示せず）を介して、バンプ４５が形成されている。同様に、第２電極４４上に、ＵＢＭ膜（図示せず）を介して、バンプ４６が形成されている。

活性層１３から第２半導体層１４側に向かって放射された光４７は、合金層４２ａに入射するものを除いて、ほぼ全てが反射防止膜４１により反射されることなく、金属反射膜４３に達する。

金属反射膜４３に達した光４７は、ほぼ全てが金属反射膜４３で反射され、反射防止膜４１により反射されることなく活性層１３側へ戻っていく。活性層１３側へ戻った光４７は、基板１１の第２の面１１ｂから外部へ出射される。

これにより、光４７が第２半導体層１４と金属反射膜４３との間で多重反射するのが防止されるので、多重反射による反射防止膜４１での光４７の吸収が生じない。その結果、半導体発光素子４０からの光取り出し効率を向上させることが可能である。

同時に、反射防止膜４１は金属反射膜４３の原子のバリア膜として機能するので、半導体発光素子４０の通電時の発熱などに起因して、金属反射膜４３の原子のマイグレーションが生じることが防止される。その結果、金属反射膜４３の光反射率が低下することなく、長期間にわたって高い光出力を維持することが可能である。

以上説明したように、本実施例の半導体発光素子４０は、光出射面でない第２半導体層１４に反射防止膜４１を介して金属反射膜４３を形成し、フリップチップタイプの半導体発光素子としているので、第１および第２電極４３、４４へのワイヤボンディングが不要であり、表面実装型のパッケージに組み込むのに適している。

ここでは、第１半導体層１２に第２電極４４が形成されている場合について説明したが、第１半導体層１２に反射防止膜を介して金属反射膜を形成しても構わない。
図５は第１半導体層１２に反射防止膜を介して金属反射膜が形成された半導体発光素子を示す断面図である。

図５に示すように、半導体発光素子５０は、第２半導体層１４および活性層１３の一部が除去されて露出した第１半導体層１２上に形成され、貫通孔５１ａを有する絶縁性の反射防止膜５１と、反射防止膜５１の貫通孔５１ａを通して第１半導体層１２上に形成された第２電極５２と、反射防止膜５１および第２電極５２上に形成された金属反射膜５３と、を具備している。

活性層１３から第２半導体層１４側に向かって放射され、金属反射膜４３で反射された光４７は、一部が基板１１の第２の面１１ｂで反射されて第１半導体層１２側へ向かう。第１半導体層１２側へ向かう光５４は、合金層５２ａに入射するものを除いて、ほぼ全てが反射防止膜５１により反射されることなく金属反射膜５３に達する。

金属反射膜５３に達した光５４は、ほぼ全てが金属反射膜５３で反射され、反射防止膜５１により反射されることなく基板１１側へ戻っていく。基板１１側へ戻った光５４は、基板１１の第２の面１１ｂから外部へ出射される。

従って、図４に示す基板１１の第２の面１１ｂで第２電極４４側に反射され、合金層４４ａで吸収されていた光の多くを外部に取り出すことができるので、更に光取り出し効率を高めることができる利点がある。

基板１１が導電性の基板である場合について説明したが、半導体発光素子５０がフリップチップなので、絶縁性の基板であっても構わない。

上述した実施例においては、第１電極１６、４２が分散して形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、活性層１３から基板１１側に向かって放射された光をできるだけムラなく金属反射板１７に入射させるとともに、所望のコンタクト抵抗が得られる範囲内で種々変形して形成しても構わない。

例えば、図６（ａ）に示すように、第１電極１６はドット状の電極が市松状に配列されているのに対して、図６（ｂ）乃至図６（ｅ）に示すように、半導体基板１１の中央部から外周に向かう放射状の第１電極６１、格子状の第１電極６２、半導体基板１１の中央部から外周に向かって同心状に配置された額縁状の第１電極６３、半導体基板１１の中央部から外周に向かって同心状に配置されたリング状の第１電極６４、およびこれらを種々組み合わせた形状の第１電極などとすることができる。
図４および図５に示す第１電極４２についても同様である。

本発明の実施例１に係る半導体発光素子を示す断面図。本発明の実施例１に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。本発明の実施例１に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。本発明の実施例２に係る半導体発光素子を示す断面図。本発明の実施例２に係る別の半導体発光素子を示す断面図。本発明に係る第１電極を示す平面図。

符号の説明

１０、４０、５０半導体発光素子
１１基板
１１ａ第１の面
１１ｂ第２の面
１２第１半導体層
１３活性層
１４第２半導体層
１５、４１、５１反射防止膜
１５ａ、４１ａ、５１ａ貫通孔
１６、４２、６１、６２、６３、６４第１電極
１６ａ、４２ａ、４４ａ、５２ａ合金層
１７、４３、５３金属反射膜
１８、４４、５２第２電極
１９、４７、５４光
３０ＧａＡｓ基板
３１レジスト膜
３１ａ開口
３２ＡｕＧｅ合金膜
４５、４６バンプ

Claims

透光性を有する導電性の基板の第１の面に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型の第２半導体層と、
前記基板の前記第１の面と対向する前記基板の第２の面の第１の領域に形成された絶縁性の反射防止膜と、
前記基板の前記第２の面の前記第１の領域を除く第２の領域に形成された第１電極と、
前記反射防止膜および前記第１電極上に形成された金属反射膜と、
前記第２半導体層に電気的に接続された第２電極と、
を具備することを特徴とする半導体発光素子。
透光性を有する基板の第１の面に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層上の第１の領域に形成された絶縁性の反射防止膜と、
前記第２半導体層上の前記第１の領域を除く第２の領域に形成されたに形成された第１電極と、
前記反射防止膜および前記第１電極上に形成された金属反射膜と、
前記第１半導体層に電気的に接続された第２電極と、
を具備することを特徴とする半導体発光素子。
前記反射防止膜が、（２ｍ−１）λ／４ｎの膜厚を有する誘電体膜、但しｍは自然数、λは前記活性層の発光波長、ｎは前記誘電体膜の屈折率、であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
前記反射防止膜が、互いに屈折率の異なる複数の誘電体膜を周期的に積層した誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
前記第１電極が、前記基板の前記第２の面に分散して形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。