JP2009238931A - 半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光取出し効率を向上するとともに、発光層への注入電流を大きくする。
【解決手段】透光性を有し、導電性基板或いは絶縁性の基板上に導電性のバッファ層を備えるなどしてｎ型電極２側となる基板１１上に、ｎ型半導体層１２と発光層１３とｐ型半導体層１４とが順に積層され、ｐ型半導体層１４上にｐ型電極３が形成されて成る発光ダイオード１において、ｐ型電極３を、ｐ型半導体層１４とオーミックコンタクト可能で電気伝導度が高い金属から成る第１の電極層１５と、光を透過させるためにその第１の電極層１５に形成された開口１５ａから前記第１の電極層１５上に積層され、コンタクト抵抗は多少高くても、光を反射する材料から成る第２の電極層１６と、前記第２の電極層１６上に積層される多層反射膜層１７とを備えて構成する。したがって、第２の電極層１６によって反射率を高くし、第１の電極層１５によって注入電流を大きくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体内で電子と正孔とを結合させて発光させる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法に関し、詳しくは、赤色よりも短波長側に発光ピークを有する半導体発光素子の光取出し効率の向上のための手法に関する。

従来から、半導体発光素子からの光取り出し効率を向上する方策として、反射率の高い電極を形成する方法が用いられている。これは、半導体発光層にて発生する光は四方八方に向かう性質があるためである。たとえば、ＧａＡｓ半導体の場合には、Ａｕを電極材料に用いることで光取り出し効率を向上することができる。しかしながら、金属の反射率は波長に大きく依存し、前記赤色よりも短波長側に発光ピークを有する酸化物あるいは窒化物系化合物半導体発光素子などでは、そのような手法を用いることができない。そこで、たとえば特許文献１〜３が提案されている。

特許文献１は、多層反射膜層を有する酸化物半導体発光素子の一例であり、サファイア基板上に、多層反射膜、ｎ型ＺｎＯコンタクト層、ｎ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層、ノンドープ量子井戸発光層、ｐ型Ｍｇ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏクラッド層およびｐ型ＺｎＯコンタクト層を積層している。そして、前記多層反射膜層は、絶縁体酸化物ＬｉＧａＯ_２層と酸化物半導体ＺｎＯ層とを交互に積層することで構成されており、ｎ型ＺｎＯクラッド層とサファイア基板との間に形成されている。また、ｎ型ＺｎＯコンタクト層とｐ型ＺｎＯコンタクト層とには、それぞれ電圧を印加する電極パッドを有する構成となっている。

同様に特許文献２も、ｎＧａＮ基板上にバッファ層を形成した後、ブラッグ型半導体多層反射膜（以下反射膜という）を形成し、その上にｎ層、発光層およびｐ層を順次積層している。さらに特許文献３も、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上に多層反射膜を配置し、さらにその上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のｐｎ接合を含む発光構造を載置している。

しかしながら、前記多層反射膜層は、入射角度によって反射率が異なり、入射角度が深くなる程、すなわち斜めに入射する程、透過して反射率が低くなるという問題がある。そこで、このような問題に対応することができる従来技術として、特許文献４では、ｐ型オーミック電極（Ｒｈ）を開口を有するように形成し、その上に前記ｐ型オーミック電極よりも反射率の高い金属電極（Ａｌ）を形成するとともに、前記開口からそれらの間に、ＡｌとＲｈとの合金化を防止する透光絶縁膜を介在するとともに、その透光絶縁膜を電子ビーム蒸着またはスパッタなどの低温で形成することで、発光を均一に行えるようにした発光ダイオードの製造方法が示されている。

一方、本願発明者らが提案した特許文献５は、ｐ型層上に、薄い金属から成る第１の透明導電膜およびＩＴＯなどによる第２の透明導電膜を形成し、その上に開口を有する前記多層反射膜層を形成し、前記開口部分から前記多層反射膜層上に金属反射膜を形成している。
特開２００４−２３５５３２号公報 特開平９−４５９５９号公報 特開平８−２２２７６１号公報 特開２００８−１６６２９号公報

したがって、上記特許文献４および特許文献５の従来技術では、金属から成る高反射率層を設けているので、光取出し効率は向上することができる。しかしながら、特許文献４ではｐ型オーミック電極の開口部分が透光絶縁膜となっており、発光層への注入電流が少ないという問題がある。また、特許文献５でも、第１の透明導電膜を透明にするためには薄く形成する必要があり、第２の透明導電膜も、導電膜と言うものの、電気伝導度が、たとえばＩＴＯで２００Ω／ｃｍと、金属の数Ω／ｃｍと比べて飛躍的に悪く、発光層への注入電流が少ないという問題がある。

本発明の目的は、光取出し効率を向上することができるとともに、発光層への注入電流を大きくすることができる半導体発光素子およびそれを用いる照明装置ならびに半導体発光素子の製造方法を提供することである。

本発明の半導体発光素子は、ｎ型電極側となり、透光性を有する基板上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが順に積層され、前記ｐ型半導体層上にｐ型電極が形成されて成る半導体発光素子において、前記ｐ型半導体層上に積層され、該ｐ型半導体層と導電性を有し、開口を有する第１の電極層と、前記開口から前記第１の電極層上に積層され、光を反射する材料から成る第２の電極層と、前記第２の電極層上に積層される多層反射膜層とを備えて構成されることを特徴とする。

また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、ｎ型電極側となり、透光性を有する基板上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが順に積層され、前記ｐ型半導体層上にｐ型電極が形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ型半導体層上に、該ｐ型半導体層と導電性を有し、開口を有する第１の電極層を積層する工程と、前記開口から前記第１の電極層上に、光を反射する材料から成る第２の電極層を積層する工程と、前記第２の電極層上に多層反射膜層を積層する工程とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、透光性を有し、導電性基板或いは絶縁性の基板上に導電性のバッファ層を備えるなどしてｎ型電極側となる基板上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが順に積層され、前記ｐ型半導体層上にｐ型電極が形成されて成る半導体発光素子において、前記ｐ型電極を、前記ｐ型半導体層と導電性を有し（オーミックコンタクト可能で電気伝導度が高い金属から成り）、前記発光層への注入電流が主に流れる第１の電極層と、光を透過させるためにその第１の電極層に形成された開口から前記第１の電極層上に積層され、コンタクト抵抗は多少高くても、光を反射する材料から成る第２の電極層と、前記第２の電極層上に積層される多層反射膜層とを備えて構成する。

したがって、多層反射膜層に対して入射角度が大きくなる光に対しても第２の電極層によって反射率を高くし、発光層で発生する光を効率良く外部に取出すことができる。また、第１の電極層によってｐ型半導体層へのコンタクト抵抗を低くし、該半導体発光素子の動作電圧を低くすることができるとともに、発光層への注入電流を大きくすることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記第１の電極層は、前記ｐ型半導体層上で３０〜８０％の面積を占めるメッシュ状に形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、発光層への充分な注入電流を得るためには前記第１の電極層は或る程度の厚さになって光を吸収することになるが、前記ｐ型半導体層上で前記３０〜８０％程度の面積でメッシュ状であれば、その吸収を抑えながら、前記コンタクト抵抗を下げることもできる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記第２の電極層は、前記第１の電極層上で、５〜２０Åの厚さに形成されることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記第１の電極層の開口部分から該第１の電極層上の全面覆うように形成される第２の電極層の厚みを５〜２０Åとすることで、前記開口部分からｐ型半導体層へ、および特に絶縁性の多層反射膜層の直下で、電流の拡散を充分に行うことができ、大きな電流によって該半導体発光素子を駆動する場合、特定の箇所に電流が集中することによって発生する発光層での発光ムラを抑えることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子では、前記多層反射膜層は、前記ｐ型半導体層上の１５〜８５％の面積を覆うように島状に形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、ｐ型電極の反射率を高くするとともに、多層反射膜層が絶縁性の材料から形成される場合でも、第２の電極層と該多層反射膜層上の電極材料との導通が確保できるので、動作電圧を低くできるとともに、注入電流を大きくすることができる。

また、本発明の半導体発光素子では、前記島状の多層反射膜層間から該多層反射膜層上は、金属材料によって覆われていることを特徴とする。

上記の構成によれば、ｐ型半導体層上に島状に形成された多層反射膜層間から該多層反射膜層上を、金属材料で覆うことで、ｐ型電極パットとの導電性を確保しつつ、多層反射膜層で反射させられなかった光を反射させることができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、前記の半導体発光素子を用いることを特徴とする。

上記の構成によれば、半導体発光素子における発光層からの光取出し効率を向上することができるとともに、発光層への注入電流を大きくすることができるので、低消費電力で高輝度な照明装置を実現することができる。

本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、以上のように、透光性を有し、導電性基板或いは絶縁性の基板上に導電性のバッファ層を備えるなどしてｎ型電極側となる基板上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが順に積層され、前記ｐ型半導体層上にｐ型電極が形成されて成る半導体発光素子において、前記ｐ型電極を、前記ｐ型半導体層と導電性を有し、前記発光層への注入電流が主に流れる第１の電極層と、光を透過させるためにその第１の電極層に形成された開口から前記第１の電極層上に積層され、コンタクト抵抗は多少高くても、光を反射する材料から成る第２の電極層と、前記第２の電極層上に積層される多層反射膜層とを備えて構成する。

それゆえ、多層反射膜層に対して入射角度が大きくなる光に対しても第２の電極層によって反射率を高くし、発光層で発生する光を効率良く外部に取出すことができる。また、第１の電極層によってｐ型半導体層へのコンタクト抵抗を低くし、該半導体発光素子の動作電圧を低くすることができるとともに、発光層への注入電流を大きくすることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、発光層への充分な注入電流を得るためには前記第１の電極層は或る程度の厚さになって光を吸収することになるが、前記ｐ型半導体層上で３０〜８０％程度の面積でメッシュ状に形成する。

それゆえ、吸収を抑えながら、前記コンタクト抵抗を下げることもできる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記第１の電極層の開口部分から該第１の電極層上の全面覆うように形成される第２の電極層の厚みを５〜２０Åとする。

それゆえ、前記開口部分からｐ型半導体層へ、および特に絶縁性の多層反射膜層の直下で、電流の拡散を充分に行うことができ、大きな電流によって該半導体発光素子を駆動する場合、特定の箇所に電流が集中することによって発生する発光層での発光ムラを抑えることができる。

さらにまた、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記多層反射膜層を、前記ｐ型半導体層上の１５〜８５％の面積を覆うように島状に形成する。

それゆえ、ｐ型電極の反射率を高くするとともに、多層反射膜層が絶縁性の材料から形成される場合でも、第２の電極層と該多層反射膜層上の電極材料との導通が確保できるので、動作電圧を低くできるとともに、注入電流を大きくすることができる。

また、本発明の半導体発光素子は、以上のように、前記島状の多層反射膜層間から該多層反射膜層上を、金属材料によって覆う。

それゆえ、ｐ型電極パットとの導電性を確保しつつ、多層反射膜層で反射させられなかった光を反射させることができる。

さらにまた、本発明の照明装置は、以上のように、前記の半導体発光素子を用いる。

それゆえ、半導体発光素子における発光層からの光取出し効率を向上することができるとともに、発光層への注入電流を大きくすることができるので、低消費電力で高輝度な照明装置を実現することができる。

［実施の形態１］
図１は本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード１の構造を示す断面図であり、図２はその平面図であり、図２において、図１の切断面を参照符号Ｉ−Ｉで示す。この発光ダイオード１は、矩形の一角が切り欠かかれてｎ型電極２となり、残余の領域がｐ型電極３となり、基板１１側を光取出し面とするフリップチップ実装可能な発光ダイオードである。

透光性を有する前記基板１１上には、ｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４が順次積層されている。ｎ型電極側となる前記基板１１は、導電性を有するＧａＮ、ＺｎＯおよびＳｉＣなどから成り、或いは前記ｎ型半導体層１２がバッファ層として機能するので、絶縁性を有するサファイアなどであってもよい。前記ｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４も、窒化物半導体、酸化物半導体および酸窒化物半導体のいずれであってもよい。前記発光層３をｎ型のＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮで形成する場合、その発光色は、ＩｎやＡｌの組成比を適宜調整したり、或いはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型不純物やＺｎ、Ｍｇ等のｐ型不純物を適宜ドープしたりすることで、紫外〜青色の範囲で所望の色に調節可能である。

注目すべきは、本発明では、前記ｐ型半導体層１４の領域上に形成されるｐ型電極３は、前記ｐ型半導体層とオーミックコンタクト可能で電気伝導度が高い金属から成り、前記発光層１３への注入電流が主に流れる第１の電極層１５と、光を透過させるためにその第１の電極層１５に形成された開口１５ａから該第１の電極層１５上に積層され、コンタクト抵抗は多少高くても、光を反射する材料から成る第２の電極層１６と、前記第２の電極層上１６に島状に積層される多層反射膜層１７と、前記島状の多層反射膜層１７間から該多層反射膜層１７上を覆う金属層１８とを備えて構成されることである。

前記第１の電極層１５は、前記のようにｐ型半導体層１４とオーミックコンタクト可能で電気伝導度が高いＰｔやＲｈまたはこれらの合金から成り、図３で示すようにメッシュ状に形成される。そして、該第１の電極層１５の厚みを１０Å以下とすれば、４６０ｎｍ程度で光吸収率を１％以下に抑えることができる。前記第２の電極層１６は、前記のようにコンタクト抵抗は多少高くても、光を反射するように、ＡｇまたはＡｇ合金またはＡｌから成り、２０Å程度の厚さに形成される。前記多層反射膜層１７は、図４で示すように、ｐ型半導体層１４の３０％を覆う前記島状に形成される。前記金属層１８は、前記ＡｇまたはＡｇ合金またはＡｌから成り、反射材料となる。

こうして形成されたｐ型電極３上に、外部との電気接続を確保するためのボンディング用電極として、チタン層１９と、ニッケル層２０と、金層２１とが順次積層されている。一方、上述の各層１２〜２１を積層した後、前記矩形の一角がエッチングによって切り欠かかれた後、チタン層２２と、ニッケル層２３と、金層２４とが順次積層されて、前記ｎ型電極２が形成される。なお、ｐ型電極３を構成する材料の接続信頼性を向上させるために、島状の多層反射膜層１７と金属層１８との間に、薄いアルミナを挿入してもよい。

こうして完成した発光ダイオード１には、ｐ型電極３にプラス電圧を、ｎ型電極２にマイナス電圧を加えると、発光層１３内で電子とホールとが結合して、青色若しくは紫外の光が発生し、光取り出し方向（基板１１方向）とは反対側に向かった光は、多層反射膜層１７や第２の電極層１６および金属層１８によって、前記光取り出し方向（基板１１方向）へ反射され、該発光ダイオード１の外部へ放射される。

図５および図６は、前記第１の電極層１５および多層反射膜層１７が前記ｐ型半導体層１４の表面積に占める割合をパラメータとして、該発光ダイオード１の動作電圧とｐ型電極３の吸収率（図５）および反射率（図６）とを計測した結果を示すグラフである。図５は、多層反射膜層１７がｐ型半導体層１４に占める割合を５０％となるように形成した状態で、第１の電極層１５であるＰｔメッシュ状電極がｐ型半導体層１４に占める割合を変化させている。図６は、第１の電極層１５としてＰｔメッシュ状電極がｐ型半導体層１４の３０％を覆うように形成した状態で、多層反射膜層１７のｐ型半導体層１４に占める割合を変化させている。Ｐｔの厚みは前記１０Åとしている。

図５から明らかなように、Ｐｔメッシュ状電極がｐ型半導体層１４の３０％以上の領域を覆うように形成すると、動作電圧が３Ｖ以下と低く（コンタクト抵抗を抑え）なって発光効率が高くなり、Ｐｔメッシュ状電極がｐ型半導体層１４の８０％以上となるとｐ型電極３全体での吸収率は４％以上となる。このため、前記メッシュ状の第１の電極層１５がｐ型半導体層１４上で占める面積を３０〜８０％とすることで、発光層１３への充分な注入電流を得るために該第１の電極層１５が或る程度の厚さになって光を吸収することになっても、その吸収を抑えながら、前記コンタクト抵抗を下げることもできる。

また、図６から明らかなように、前記多層反射膜層１７をｐ型半導体層１４の８５％以上の領域を覆うように形成すると、動作電圧が４Ｖ以上となり、１５％以下では、反射率が９５％以下となり、共に発光効率が低下する。このため、前記多層反射膜層１７がｐ型半導体層１４上で占める面積を、１５〜８５％とすることで、ｐ型電極３全体での反射率を高くすることができるとともに、該多層反射膜層１７が絶縁性の材料から形成される場合でも、第２の電極層１６と該多層反射膜層１７上の電極材料（層１８〜２１）との導通が確保できるので、動作電圧を低くできるとともに、注入電流を大きくすることができる。

このように構成することで、発光層１３からｐ型電極３に向かう全ての光に対して、該ｐ型電極３への入射角度に依存することなく、該ｐ型電極全体での反射率は第２の電極層１６および多層反射膜層１７によって、Ａｇの反射率（λ＝４６０ｎｍ、９５％）を上回り、しかもｐ型半導体層１４と電気伝導が良好な第１の電極層１５を形成しているので、動作電圧は３．５Ｖ（Ｉ＝４０ｍＡ）を超えない。こうして、発光層１３で発生する光を効率良く外部に取出すことができるとともに、発光層１３への注入電流を大きくすることができ、低消費電力で高輝度な発光ダイオードを実現することができる。またこのような発光ダイオード１を照明装置に用いることで、低消費電力で高輝度な照明装置を実現することができる。

また、前記第１の電極層１５の開口１５ａ部分から該第１の電極層１５上の全面覆うように形成される第２の電極層１６の厚みを５〜２０Åとすることで、前記開口１５ａ部分からｐ型半導体層１４へ、および特に絶縁性の多層反射膜層１７の直下で、電流の拡散を充分に行うことができ、大きな電流によって該発光ダイオード１を駆動する場合、特定の箇所に電流が集中することによって発生する発光層１３での発光ムラを抑えることができる。さらにまた、前記島状の多層反射膜層１７間から該多層反射膜層１７上をは、金属層１８で覆うことで、ｐ型電極パット（層１９〜２１）との導電性を確保しつつ、多層反射膜層１７で反射させられなかった光を反射させることができる。

［実施の形態２］
図７は、本発明の実施の他の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオード３１の構造を示す断面図である。この発光ダイオード３１は、前述の発光ダイオード１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード３１では、ｎ型の導電性を有する基板３０が用いられて、ｎ型電極３２が、前記基板３０の各層１２〜２１が形成される面とは反対側の面に形成されることである。このように構成することで、該発光ダイオード３１の厚み方向に電流を流すことができ、より均一かつ大きな電流を流すことができる。

本発明の実施の一形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を示す断面図である。 図１の平面図である。 前記発光ダイオードにおける第１の電極層のレイアウトの一例を示す図である。 前記発光ダイオードにおける多層反射膜層のレイアウトの一例を示す図である。 前記第１の電極層がｐ型半導体層の表面積に占める割合をパラメータとして、該発光ダイオードの動作電圧とｐ型電極の反射率とを計測した結果を示すグラフである。 前記多層反射膜層がｐ型半導体層の表面積に占める割合をパラメータとして、該発光ダイオードの動作電圧とｐ型電極の反射率とを計測した結果を示すグラフである。 本発明の実施の他の形態に係る半導体発光素子である発光ダイオードの構造を示す断面図である。

符号の説明

１，３１ 発光ダイオード
２，３２ ｎ型電極
３ ｐ型電極
１１，３０ 基板
１２ ｎ型半導体層
１３ 発光層
１４ ｐ型半導体層
１５ 第１の電極層
１５ａ 開口
１６ 第２の電極層
１７ 多層反射膜層
１８ 金属層
１９，２２ チタン層
２０，２３ ニッケル層
２１，２４ 金層

Claims (7)

1. ｎ型電極側となり、透光性を有する基板上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが順に積層され、前記ｐ型半導体層上にｐ型電極が形成されて成る半導体発光素子において、
   前記ｐ型半導体層上に積層され、該ｐ型半導体層と導電性を有し、開口を有する第１の電極層と、
   前記開口から前記第１の電極層上に積層され、光を反射する材料から成る第２の電極層と、
   前記第２の電極層上に積層される多層反射膜層とを備えて構成されることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１の電極層は、前記ｐ型半導体層上で３０〜８０％の面積を占めるメッシュ状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２の電極層は、前記第１の電極層上で、５〜２０Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 前記多層反射膜層は、前記ｐ型半導体層上の１５〜８５％の面積を覆うように島状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記島状の多層反射膜層間から該多層反射膜層上は、金属材料によって覆われていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子を用いることを特徴とする照明装置。
7. ｎ型電極側となり、透光性を有する基板上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが順に積層され、前記ｐ型半導体層上にｐ型電極が形成されて成る半導体発光素子の製造方法において、
   前記ｐ型半導体層上に、該ｐ型半導体層と導電性を有し、開口を有する第１の電極層を積層する工程と、
   前記開口から前記第１の電極層上に、光を反射する材料から成る第２の電極層を積層する工程と、
   前記第２の電極層上に多層反射膜層を積層する工程とを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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