JP2010056423A - 半導体発光素子用電極及び半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高反射率と低接触抵抗を両立させることのできる半導体発光素子用電極及びこれを用いた半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ＬＥＤチップ１００におけるＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）の一般式で表される半導体層と接触するｐ側電極１２０が、当該半導体上に形成されＡｇを主成分としＰｄ及びＣｕが添加されているＡｇ合金層１２０ａを含むようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子用電極及び半導体発光素子に関する。

化合物半導体のｐｎ接合を用いた半導体発光素子として、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子が広く実用化され、主として光伝送、表示や特殊照明用途に用いられている。近年、窒化物半導体発光素子と蛍光体を用いた白色ＬＥＤも実用化され、今後は一般照明用途への展開が大いに期待されている。しかし、白色ＬＥＤは、エネルギーの変換効率が既存の蛍光灯と比較して不十分なため、一般照明用途に対しては大幅な効率改善が必要である。さらに、高い演色性、低コストかつ大光束のＬＥＤの実現のためには多くの課題が残されている。

現在市販されている白色ＬＥＤとしては、青色ＬＥＤチップをリードフレームに実装し、青色ＬＥＤチップにＹＡＧ等の黄色蛍光体層を被せ、エポキシ樹脂等のモールドレンズで封止したものが知られている。青色ＬＥＤチップからは青色光が放出され、黄色蛍光体層を通り抜ける際にその一部が吸収され黄色光に変換される。青色と黄色は互いに補色の関係にあり、両者が混じり合うと白色光となる。

白色ＬＥＤの性能を向上させるためには、中核部品である青色ＬＥＤチップの高効率化が必須である。青色ＬＥＤチップは、サファイア基板上に、ＡｌＧａＮからなる低温堆積バッファ層、ｎ−ＧａＮ層、ＧａＩｎＮからなる多重量子井戸活性層、ｐ−ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層及びｐ−ＧａＮコンタクト層を、有機金属化合物気相成長法等によって連続的に積層させている。結晶成長層の一部は、ｎ−ＧａＮ層が露出するまでエッチングが行われ、露出したｎ−ＧａＮ層上にはＴｉ／Ａｌ等からなるｎ側電極が、また、ｐ−ＧａＮコンタクト層上にはＮｉ／Ａｕ等からなるｐ側電極が形成されている（例えば、特許文献１参照）。ｎ側電極及びｐ側電極は、４００℃から６００℃の範囲で適当な熱処理を行うことで、結晶成長層とのオーミック接触が得られるようになり、素子に低電圧で電流を注入することが可能となる。
特開２００１−２１０８６８号公報

しかしながら、上記青色ＬＥＤチップでは、多重量子井戸活性層で発光した青色光がｎ側電極及びｐ側電極で吸収され、素子外部へ取り出すことのできる光量が小さいという問題点がある。具体的には、多重量子井戸活性層で発光した青色光のほぼ半分がｐ側電極側へ向かい、そのうちの６０％程度がｐ側電極に吸収される。さらに、サファイア基板側へ向かった光の半分以上も、サファイア基板と低温堆積バッファ層の界面で反射してｐ側電極側へ向かう。この光もｐ側電極に同程度吸収されるので、結局、サファイア基板の裏面から取り出される青色光は、多重量子井戸活性層から発せられた光の半分以下となってしまう。
この問題を解決すべく、仮に、反射率の高い金属を電極に用いると、結晶成長層とのオーミック接触が損なわれてしまう。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高反射率と低接触抵抗を両立させることのできる半導体発光素子用電極及びこれを用いた半導体発光素子を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）の一般式で表される半導体層と接触し、Ａｇを主成分としＰｄ及びＣｕが添加されているＡｇ合金層を含む半導体発光素子用電極が提供される。

上記半導体発光素子用電極において、前記Ａｇ合金層にはＧｅが添加されていることが好ましい。

上記半導体発光素子用電極において、前記Ａｇ合金層のＰｄ及びＣｕの濃度が３質量％以下であることが好ましい。

上記半導体発光素子用電極において、前記Ａｇ合金層のＧｅの濃度が１質量％以下であることが好ましい。

上記半導体発光素子用電極において、前記Ａｇ合金層は、５２５℃以下で熱処理が施されていることが好ましい。

また、前記目的を達成するため、本発明では、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）の一般式で表される半導体層と、上記半導体発光素子用電極と、を備えた半導体発光素子が提供される。

上記半導体発光素子において、前記半導体層は、サファイア基板上に形成され、前記半導体発光素子用電極は、前記半導体層における前記サファイア基板と反対側に形成されるようにしてもよい。

本発明によれば、半導体発光素子における電極の高反射率と低接触抵抗を両立させることができる。

図１は、本発明の一実施形態を示すＬＥＤチップの模式断面図である。

図１に示すように、ＬＥＤチップ１００は、透光性基板としてのサファイア基板１０２上に、III族窒化物半導体層が形成されたものである。III族窒化物半導体層は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）の一般式で表され、ＡｌＧａＮからなる低温堆積バッファ層１１０、ｎ−ＧａＮ層１１２、ＧａＮＩｎＮからなる多重量子井戸活性層１１４、ｐ−ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層１１６、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１８をサファイア基板１０２側からこの順に有している。バッファ層１１０からｐ−ＧａＮコンタクト層１１８までは、例えば有機金属気相成長法等を用いて、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成される。

結晶成長層の一部は、ｎ−ＧａＮ層１１２が露出するまでエッチングが行われ、露出したｎ−ＧａＮ層１１２上にはｎ側電極１２４が形成される。図２に示すように、本実施形態においては、ｎ側電極１２４は、Ｔｉ層１２４ａ及びＡｌ層１２４ｂをｎ−ＧａＮ層１１２側からこの順に有している。ｎ側電極１２４は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成され、例えば、５００℃から６００℃の範囲で窒素雰囲気中で熱処理が施される。

また、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１８上にはｐ側電極１２０が形成される。すなわち、ｐ側電極１２０は、III族窒化物半導体層におけるサファイア基板１２０と反対側に形成されている。図２に示すように、本実施形態においては、ｐ側電極１２０は、Ａｇ合金層１２０ａ、Ｔｉ層１２０ｂ及びＡｕ層１２０ｃをｐ−ＧａＮコンタクト層１１８側からこの順に有している。Ａｇ合金層１２０ａは、Ａｇを主成分とし、Ｐｄ、Ｃｕ及びＧｅが添加されている。例えば、Ａｇ合金層１２０ａは、３質量％以下のＰｄと、３質量％以下のＣｕと、１質量％以下のＧｅと、を含んでいる。尚、Ａｇ合金層１２０ａは、Ｇｅが含まれない構成とすることもできる。

ｐ側電極１２０は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成され、例えば、４２５℃以上５２５℃以下の範囲で窒素雰囲気中で熱処理が施される。ｐ側電極１２０のＡｇ合金層１２０ａは、５２５℃以下の熱処理によって原子レベルの界面反応が生じ、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１８との良好なオーミック接触を形成する。ただし、熱処理温度が５２５℃を超えるとＡｇ合金層１２０ａにて熱的なマイグレーションが生じて、ｐ側電極１２０に凹凸が生じるとともに反射率が低下する。

以上のように構成されたＬＥＤチップ１００では、ｐ側電極１２０にＡｇ合金層１２０ａを用いたので、多重量子井戸活性層１１４から発せられる青色光のうち、ｐ側電極１２０へ入射するものはＡｇ合金層１２０ａにて反射する。これにより、ｐ側電極１２０によって青色光が吸収されることを抑制することができる。

また、Ａｇ合金層１２０ａは、Ｐｂ及びＣｕが添加されているので、Ａｇである場合と比べて、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１８との接触抵抗を小さくすることができる。また、Ａｇ合金層１２０ａは、Ｐｂ及びＣｕが添加されているので、熱的及び化学的な安定性も向上している。

さらに、Ａｇ合金層１２０ａは、Ｇｅが添加されているので、Ｐｂ及びＣｕの相互作用を引き起こし、比較的低濃度のＰｄ濃度及びＣｕ濃度であっても、良好な熱的及び化学的安定性を得ることができる。さらにまた、Ａｇ合金層１２０ａに、Ｇｅを添加することにより、Ｐｄ及びＣｕの添加による反射率の低下を抑制することができる。

従って、本実施形態のＬＥＤチップ１００によれば、ｐ側電極１２０の高反射率と低接触抵抗を両立することができ、光の取り出し効率を向上させることができる。

図３は、Ａｇ合金層の熱処理温度と接触抵抗との関係を示すグラフである。図３のデータを取得するにあたり、次のスペックのＬＥＤチップ１００を作製して測定した。

サファイア基板１０２は、厚さ１５０μｍとした。
低温堆積バッファ層１１０は、ＡｌＧａＮとし、厚さ２０ｎｍとした。
ｎ−ＧａＮ層１１２は、Ｓｉ濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３のＧａＮとし、厚さ３μｍとした。
多重量子井戸活性層１１４は、厚さ３ｎｍのＧａ_０．８５Ｉｎ_０．１５Ｎと、厚さ１０ｎｍのＧａＮの積層構造とした。
電子ブロック層１１６は、Ｍｇ濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３のｐ−ＡｌＧａＮとし、厚さ２０ｎｍとした。
ｐ−ＧａＮコンタクト層１１８は、Ｍｇ濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３のｐ−ＧａＮとし、厚さ２０ｎｍとした。
ｐ側電極１２０のＡｇ合金層１２０ａは、Ａｇに、Ｐｄを１．０質量％、Ｃｕを１．０質量％、Ｇｅを０．１質量％添加した合金とし、厚さ３００ｎｍとした。
ｐ側電極１２０のＴｉ層１２０ｂは、厚さ５０ｎｍのＴｉにより形成した。
ｐ側電極１２０のＡｕ層１２０ｃは、厚さ３００ｎｍのＡｕにより形成した。
ｎ側電極１２４のＴｉ層１２０ａは、厚さ１０ｎｍのＴｉにより形成した。
ｎ側電極１２４のＡｌ層１２０ｂは、厚さ３００ｎｍのＡｌにより形成した。

以上のように構成されたＬＥＤチップ１００にて、ｐ側電極１２０の熱処理温度を４５０℃から５５０℃まで２５℃間隔で変化させて、ｐ側電極１２０とｐ−ＧａＮコンタクト層１１８の接触抵抗を測定した。この結果、熱処理温度が４５０℃では接触抵抗率が２．１×１０^−４Ωｃｍ^２であり、熱処理温度が４７５℃では接触抵抗率が１．３×１０^−４Ωｃｍ^２であり、熱処理温度が５００℃では接触抵抗率が２．４×１０^−４Ωｃｍ^２であり、熱処理温度が５２５℃では接触抵抗率が３．４×１０^−４Ωｃｍ^２であり、熱処理温度が５５０℃では接触抵抗率が１．０×１０^−３Ωｃｍ^２であった。尚、熱処理温度が４２５℃では接触抵抗率が１０^−２Ωｃｍ^２のレベルとなった。この結果を考慮すると、ｐ側電極１２０の熱処理温度は５２５℃以下が好ましく、５００℃以下がより好ましい。また、熱処理温度が４７５℃では、接触抵抗が最も小さくなった。これは、従来のＮｉ／Ａｕ系オーミック電極の半分程度の値である。

図４は、各試料体の電極へ入射する光の波長と反射率の関係を示すグラフである。図４のデータを取得するにあたり、上記スペックのＬＥＤ１００におけるｐ側電極１２０の材質を変えて複数の試料体Ａ〜Ｅを作製した。

試料体Ａは、５００℃で熱処理されたＡｇ合金層１２０ａを用いて作製した。
試料体Ｂは、熱処理が行われていないＡｇ合金層１２０ａを用いて作製した。
試料体Ｃは、４８０℃で熱処理されたＡｇをＡｇ合金層１２０ａの代わりに用いて作製した。
試料体Ｄは、熱処理が行われていないＡｇをＡｇ合金層１２０ａの代わりに用いて作製した。
試料体Ｅは、ｐ側電極１２０をＮｉ／Ａｕとして作製した。

図４に示すように、試料体Ａ〜Ｄは、試料体Ｅと比較すると、格段に反射率が高くなっている。ｐ側電極１２０の熱処理が行われていないものとして、試料体Ｂと試料体Ｄを比較すると、試料体Ｂは試料体Ｄと同等の反射率を有していることがわかる。従って、Ａｇ合金層１２０ａは、Ａｇと同等の反射率を有しているといえる。そして、熱処理後の試料体Ａと試料体Ｃを比較すると、試料体Ａは試料体Ｃよりも反射率が高く、熱処理されたＡｇ合金層１２０ａは、Ａｇより耐熱性が高いといえる。また、試料体Ｃは、ｐ側電極１２０がオーミック電極を形成するために十分な５００℃の熱処理においても、十分に高い反射率を維持していることがわかる。

図５は、各試料体の電流と光出力の関係を示すグラフである。図５のデータは、試料体Ａと試料体Ｅを用いて取得した。

図５に示すように、熱処理されたＡｇ合金層１２０ａを用いた試料体Ａは、Ｎｉ／Ａｕ電極を用いた試料体Ｅと比較して、約１．５倍の光出力の向上が観測されている。

ここで、ｐ側電極１２０のＡｇ合金層１２０ａに添加する微量元素は、仕事関数の大きいＰｄや、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１８に拡散して深い準位を形成するＣｕの濃度が高くなるほど、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１８との接触抵抗が低下する。これと同時に、Ａｇ合金層１２０ａの熱的、化学的な安定性も向上する一方、光の反射率は低下する。このため、ＰｄとＣｕの濃度は、それぞれ、３質量％以下に抑えることが望ましい。

また、Ｇｅを添加すると、Ｐｄ及びＣｕの相互作用によって、Ｐｄ及びＣｕを比較的低濃度としても熱的、化学的な安定性が向上して、結果として高い反射率を得ることができる。ただし、Ｇｅは、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１８とのオーミック接触に悪影響を与えるため、１質量％以下の濃度に抑えることが望ましい。

また、例えば図６に示すように、前記実施形態の青色のＬＥＤチップ１００と、黄色蛍光体層２０２との組合せにより、白色ＬＥＤ２００を構成することもできる。図６の白色ＬＥＤ２００は、ＬＥＤチップ１００と、ＬＥＤチップ１００が実装される第１リードフレーム２０４と、第１リードフレーム２０４の回路パターン２０４ａとワイヤ２０６により電気的に接続される第２リードフレーム２０８と、リードフレーム２０４上にてＬＥＤチップ１００を被覆する黄色蛍光体層２０２と、各リードフレーム２０４，２０８の先端をＬＥＤチップ１００、黄色蛍光体層２０２等とともに覆うモールドレンズ２１０と、を有している。ＬＥＤチップ１００は、フリップチップ実装され、ｐ側電極１２０とｎ側電極１２４が第１リードフレーム２０４側となり、サファイア基板１０２が第１リードフレーム２０４と反対側となっている。フリップチップ型とすることにより、多重量子井戸活性層１１４が第１リードフレーム２０４に近接する構成となるので、放熱性に優れ、高出力動作に有利となる。この白色ＬＥＤ２００では、ＬＥＤチップ１００の光出力が向上していることから、従来からの課題であった高光束化を図ることができる。尚、黄色蛍光体層２０２に赤色蛍光体を含有させることにより、演色性の向上を図ってもよい。

尚、前記実施形態においては、ｐ側電極１２０がＡｇ合金層１２０ａを含むものを示したが、例えば図７に示すように、ｎ側電極３２４がＡｇ合金層３２４ａを含むようにしてもよい。図７のＬＥＤチップ３００は、ｎ側電極３２４を除いて図２のＬＥＤチップ１００と同じ構成である。このｎ側電極３２４は、Ｐｄ、Ｃｕ及びＧｅが添加されたＡｇからなるＡｇ合金層３２４ａと、Ｔｉ層３２４ｂと、Ａｕ層３２４ｃと、をｎ−ＧａＮ層１１２側からこの順に有している。Ａｇ合金層３２４ａをｎ側電極３２４に用いた場合、Ａｇ合金層３２４ａと接触するｎ−ＧａＮ層１１２のＳｉ濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３を超えると、特に接触抵抗が小さくなることが確認されている。

また、前記実施形態においては、多重量子井戸活性層１１４が、青色光を発するものを示したが、紫外光、緑色光、黄色光、橙色光等を発せさせることもできる。また、ｐ側電極１２０は、Ａｇを主成分としＰｄ及びＣｕが添加されているＡｇ合金層１２０ａが半導体層と接触していればよく、Ａｇ合金層１２０ａ上に形成される金属材料等は任意である。要は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）の一般式で表される半導体層に接触するＡｇ合金層１２０ａを含んでいればよい。さらには、透光性基板としてサファイア基板１０２以外のものを用いてもよく、具体的な細部構造等について適宜に変更可能であることは勿論である。

図１は、本発明の一実施形態を示すＬＥＤチップの模式断面図である。 図２は、ＬＥＤチップの電極構成を示す模式断面図である。 図３は、Ａｇ合金層の熱処理温度と接触抵抗との関係を示すグラフである。 図４は、各試料体の電極へ入射する光の波長と反射率の関係を示すグラフである。 図５は、各試料体の電流と光出力の関係を示すグラフである。 図６は、ＬＥＤチップを用いた白色ＬＥＤの模式断面図である。 図７は、変形例を示すＬＥＤチップの模式断面図である。

符号の説明

１００ ＬＥＤチップ
１０２ サファイア基板
１１０ 低温堆積バッファ層
１１２ ｎ−ＧａＮ層
１１４ 多重量子井戸活性層
１１６ 電子ブロック層
１１８ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１２０ ｐ側電極
１２０ａ Ａｇ合金層
１２０ｂ Ｔｉ層
１２０ｃ Ａｕ層
１２４ ｎ側電極
１２４ａ Ｔｉ層
１２４ｂ Ａｌ層
２００ 白色ＬＥＤ
２０２ 黄色蛍光体層
２０４ 第１リードフレーム
２０４ａ 回路パターン
２０６ ワイヤ
２０８ 第２リードフレーム
２１０ モールドレンズ
３００ ＬＥＤチップ
３２４ ｎ側電極
３２４ａ Ａｇ合金層
３２４ｂ Ｔｉ層
３２４ｃ Ａｕ層

Claims (7)

1. Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）の一般式で表される半導体層と接触し、Ａｇを主成分としＰｄ及びＣｕが添加されているＡｇ合金層を含む半導体発光素子用電極。
2. 前記Ａｇ合金層にはＧｅが添加されている請求項１に記載の半導体発光素子用電極。
3. 前記Ａｇ合金層のＰｄ及びＣｕの濃度が３質量％以下である請求項２に記載の半導体発光素子用電極。
4. 前記Ａｇ合金層のＧｅの濃度が１質量％以下である請求項３に記載の半導体発光素子用電極。
5. 前記Ａｇ合金層は、５２５℃以下で熱処理が施されている請求項４に記載の半導体発光素子用電極。
6. Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、かつ０≦ｘ＋ｙ≦１）の一般式で表される半導体層と、
   請求項５に記載の半導体発光素子用電極と、を備えた半導体発光素子。
7. 前記半導体層は、サファイア基板上に形成され、
   前記半導体発光素子用電極は、前記半導体層における前記サファイア基板と反対側に形成される請求項６に記載の半導体発光素子。

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