JP2010192923A - Light emitting diode - Google Patents

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Hidenori Kamei
英徳 亀井
Hidemi Takeishi
英見 武石
Shuichi Shinagawa
修一 品川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new structure of a light emitting element, which improves light distribution characteristic directly above the light emitting element and maintains high light emitting intensity, in the light emitting element which uses a substrate made of a gallium nitride compound semiconductor and uses the substrate back side on which a laminate structure including a light emitting layer is not formed, as a main light-emitting surface side. <P>SOLUTION: A laminate structure composed of an n-type layer 2, a light emitting layer 4, and a p-type layer 6 made of the gallium nitride compound semiconductor are formed on a substrate 1 made of an n-type gallium nitride based compound semiconductor, and an n-type electrode 8 is formed in contact with the surface of the n-type layer 2, which is exposed in one part from the surface of the laminate structure by removing a part thereof. This does not need an electrode arranged on the main light-emitting surface side and makes light distribution directly above the light emitting element uniform. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は発光ダイオードに利用される半導体発光素子に係り、特に窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用いた窒化ガリウム系化合物発光素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device used for a light emitting diode, and more particularly to a gallium nitride compound light emitting device using a substrate made of a gallium nitride compound semiconductor.

窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されるようになっており、青色や緑色の発光ダイオードの分野での展開が進んでいる。   Gallium nitride compound semiconductors are widely used as semiconductor materials for visible light emitting devices and high-temperature operating electronic devices, and are being developed in the field of blue and green light emitting diodes.

可視光で発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基本的には、サファイアやSiC等からなる基板の上にバッファ層を介して、n型クラッド層と、発光層となるInGaNからなる発光層と、p型クラッド層とを積層させたものが主流である。特に、近来では、基板にサファイアを用い、有機金属気相成長法により、GaNやAlN等からなる低温成長バッファ層を介してダブルへテロ構造を成長させたものは、高輝度で信頼性が高く、屋外用のパネルディスプレイ用発光ダイオード等に広く用いられるようになってきている。   A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device capable of emitting light with visible light is basically a light emission composed of an n-type cladding layer and an InGaN layer serving as a light-emitting layer via a buffer layer on a substrate composed of sapphire or SiC. The mainstream is a laminate of a layer and a p-type cladding layer. In particular, in recent years, a double heterostructure grown using a sapphire substrate and a low temperature growth buffer layer made of GaN, AlN, or the like by metalorganic vapor phase epitaxy has high brightness and high reliability. It has been widely used for light-emitting diodes for outdoor panel displays.

しかしながら、最近、GaNからなる基板が作製されるようになり、これを用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子がいくつか提案されるようになってきている。例えば、特許文献1には、GaNを基板とし基板の上にp−n接合を含む積層体を形成させた青色発光素子が開示されている。この公報によれば、GaNを基板として用い他の赤色発光ダイオード等と同様に対向する電極の間に基板が存在する構造が可能となり、電極位置に対する制約をなくすることができるとされている。   However, recently, a substrate made of GaN has been produced, and several gallium nitride-based compound semiconductor light emitting devices using the substrate have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a blue light-emitting element in which GaN is used as a substrate and a laminate including a pn junction is formed on the substrate. According to this publication, a structure in which a substrate exists between electrodes facing each other in the same manner as other red light emitting diodes using GaN as a substrate is possible, and restrictions on electrode positions can be eliminated.

また、特許文献2においては、n型GaNからなる基板を用い、基板の側を主発光面側とすることができる発光素子が開示されている。   Further, Patent Document 2 discloses a light-emitting element that uses a substrate made of n-type GaN and can have the substrate side as the main light-emitting surface side.

図3は、上記公報において示された従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。n型のGaNからなる基板11の上には、n型クラッド層12と、発光層13と、p型クラッド層14とが順次積層されており、基板11の積層面側でない一面の上の一部にn側電極15が設けられ、p型クラッド層14の上の全面にわたってp側電極16が設けられている。p側電極16を下向きに実装することにより、n側電極15を設けた面の側を主発光面側とし、面発光を得ることができる。このような構成によれば、電流−光出力特性が改善された安価な発光素子を提供することができるとされている。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the conventional gallium nitride compound semiconductor light emitting device disclosed in the above publication. On the substrate 11 made of n-type GaN, an n-type cladding layer 12, a light emitting layer 13, and a p-type cladding layer 14 are sequentially stacked. The n-side electrode 15 is provided in the part, and the p-side electrode 16 is provided over the entire surface of the p-type cladding layer 14. By mounting the p-side electrode 16 downward, the surface on which the n-side electrode 15 is provided is the main light emitting surface side, and surface emission can be obtained. According to such a configuration, an inexpensive light emitting element with improved current-light output characteristics can be provided.

特開平7−94784号公報JP-A-7-94784 特開平10−150220号公報JP-A-10-150220

しかしながら、図3に示す従来の構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、GaNからなる基板11が発光層13からの発光に対し透明であるので、基板11に設けたn側電極15の側を主発光面とすることができる。このn側電極15は、通常、ワイヤボンディング用のパッドとして用いられるため、発光に対し透過性を有しない程度の厚膜で形成される。   However, in the gallium nitride compound semiconductor light emitting device having the conventional structure shown in FIG. 3, the substrate 11 made of GaN is transparent to light emitted from the light emitting layer 13, so the side of the n-side electrode 15 provided on the substrate 11. Can be the main light emitting surface. Since the n-side electrode 15 is normally used as a wire bonding pad, the n-side electrode 15 is formed of a thick film that is not permeable to light emission.

したがって、この電極の下の発光層13で発せられ基板11の主発光面の側へ向かう光は、厚膜のn側電極15で遮られてしまうこととなる。このため、発光素子の上方における配光特性は、n側電極15を形成した領域の上部で落ち込む凹状の分布となる。このような分布の配光特性は、発光素子直上で均一な配光特性と高い発光強度を必要とする用途においては望ましくないという問題がある。   Therefore, the light emitted from the light emitting layer 13 below this electrode and traveling toward the main light emitting surface of the substrate 11 is blocked by the thick n-side electrode 15. For this reason, the light distribution characteristic above the light emitting element has a concave distribution that falls at the top of the region where the n-side electrode 15 is formed. Such a distribution of light distribution characteristics has a problem that it is not desirable in applications that require uniform light distribution characteristics and high light emission intensity directly above the light emitting element.

このような凹状の分布を回避しようとして主発光面となる基板11の面積を大きくするためにn側電極15のサイズを小さくすると、ワイヤボンディングの作業が困難となるので、n側電極15のサイズを小さくすることは好ましくない。したがって、ボンディング等の電気的接続の作業性を確保してもなお発光特性を改善することができる発光素子が望まれている。   If the size of the n-side electrode 15 is reduced in order to increase the area of the substrate 11 serving as the main light emitting surface in order to avoid such a concave distribution, the wire bonding operation becomes difficult. It is not preferable to reduce the value. Therefore, there is a demand for a light-emitting element that can improve light-emitting characteristics even when workability of electrical connection such as bonding is ensured.

本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用い、この基板の側を主発光面側とする発光素子において、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができる新規な構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems. In a light-emitting element using a substrate made of a gallium nitride compound semiconductor and having the substrate side as a main light-emitting surface side, the light distribution characteristic immediately above the light-emitting element is obtained. An object of the present invention is to provide a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element having a novel structure capable of improving and maintaining high emission intensity.

上記課題を解決するために、本発明の発光ダイオードは、第一の主面と第二の主面を有する透光性のn型の窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板の第一の主面上に、少なくとも窒化ガリウム系化合物半導体からなるn型層と発光層とp型層との積層構造が設けられ、n側電極が前記積層構造の表面側からその一部を除去させて露出された前記n型層の表面に接して設けられ、p側電極が前記p型層の表面に接して設けられ、前記基板の前記第二の主面が主発光面である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子をAuバンプにより接着させたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a light emitting diode of the present invention is provided on a first main surface of a substrate made of a light-transmitting n-type gallium nitride compound semiconductor having a first main surface and a second main surface. A stacked structure of at least an n-type layer, a light emitting layer, and a p-type layer made of a gallium nitride compound semiconductor, and the n-side electrode is exposed by removing a part thereof from the surface side of the stacked structure. A gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element provided in contact with the surface of an n-type layer, a p-side electrode provided in contact with the surface of the p-type layer, and the second main surface of the substrate being a main light-emitting surface. It is characterized by being bonded by Au bumps.

このような構成によれば、発光素子直上での配光特性を改善することができるとともに、発光強度を高く保持することが可能となる。   According to such a configuration, it is possible to improve the light distribution characteristic immediately above the light emitting element and to keep the light emission intensity high.

以上のように本発明によれば、窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用い、この基板の発光層を含む積層構造が形成されていない裏面側を主発光面側とする発光素子において、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができるので、発光素子直上で均一な配光分布が望まれる表面実装型発光ダイオードや発光素子を基板上に複数配列させたライン状光源などの用途に好適に用いることができる。   As described above, according to the present invention, a light-emitting element using a substrate made of a gallium nitride-based compound semiconductor and having a back surface side on which a laminated structure including a light-emitting layer of the substrate is not formed as a main light-emitting surface side Along with improving the light distribution characteristics directly above and maintaining a high emission intensity, a plurality of surface-mounted light-emitting diodes and light-emitting elements that require a uniform light distribution directly above the light-emitting elements are arranged on the substrate. It can be suitably used for applications such as a line light source.

また、発光素子直上での発光強度を高く保持することができるので、従来の砲弾形状の樹脂レンズ付き発光ダイオードにも用いることができる。   In addition, since the light emission intensity directly above the light emitting element can be kept high, it can be used for a conventional shell-shaped light emitting diode with a resin lens.

本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the gallium nitride compound semiconductor light-emitting device based on one embodiment of this invention 本発明の他の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the gallium nitride type compound semiconductor light-emitting device based on other embodiment of this invention. 従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the conventional gallium nitride compound semiconductor light emitting element

本発明の実施の形態の具体例を、図1を参照しながら説明する。   A specific example of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

(実施の形態1)
図1に、本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.

図1において、n型のGaNからなる基板1の上に、GaNからなるn型層2と、InGaNからなる発光層4と、AlGaNからなるp型層6、が順次積層されている。p型層6の表面上にはp側電極7が形成されており、p型層6の表面側から、p型層6と発光層4とn型層2の一部をエッチングにより除去して露出されたn型層2の表面上に、n側電極8が形成されている。   In FIG. 1, an n-type layer 2 made of GaN, a light emitting layer 4 made of InGaN, and a p-type layer 6 made of AlGaN are sequentially stacked on a substrate 1 made of n-type GaN. A p-side electrode 7 is formed on the surface of the p-type layer 6, and a part of the p-type layer 6, the light emitting layer 4, and the n-type layer 2 is removed from the surface side of the p-type layer 6 by etching. An n-side electrode 8 is formed on the exposed surface of the n-type layer 2.

基板1には、n型の窒化ガリウム系化合物半導体(InaAlbGa1-a-bN(但し、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1))を使用することができるが、良好な結晶性が得られやすいAlcGa1-cN(但し、0≦c≦1)が望ましい。中でも、製造が比較的容易で、かつ最も良好な結晶性が得られるGaNからなるものを使用することが最も好ましい。基板1にはSiやGe等のn型不純物がドープされて、その電子濃度を概略1×1016cm-3から1×1019cm-3の範囲に制御されたものを用いる。電子濃度が1×1016cm-3よりも低くなると、抵抗率が高くなり、基板1に注入された電子が基板1で広がりにくくなる傾向にあるからであり、1×1019cm-3よりも高くなると、n型不純物を高濃度にドープしたことに起因して基板1の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。 For the substrate 1, an n-type gallium nitride compound semiconductor (In a Al b Ga 1-ab N (where 0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1)) is used. Although it is possible, Al c Ga 1-c N (where 0 ≦ c ≦ 1) is desirable because good crystallinity is easily obtained. Among these, it is most preferable to use GaN made of GaN that is relatively easy to manufacture and that provides the best crystallinity. The substrate 1 is doped with an n-type impurity such as Si or Ge, and its electron concentration is controlled in the range of approximately 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 . This is because, when the electron concentration is lower than 1 × 10 16 cm −3 , the resistivity is increased, and electrons injected into the substrate 1 tend to hardly spread on the substrate 1, and from 1 × 10 19 cm −3 . This is because the crystallinity of the substrate 1 tends to deteriorate due to the high concentration of n-type impurities.

n型層2には、発光層4よりもバンドギャップの大きいn型の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。これにより、n型層2にn型クラッド層としての機能を付与できる。n型層2には、GaNやAlGaN、InGaN、InAlGaN等の単層、若しくはこれらの層を積層したものを用いることができる。基板1にGaNを用いる場合には、少なくとも基板1に接してGaN層を用いることが望ましい。   For the n-type layer 2, an n-type gallium nitride compound semiconductor having a band gap larger than that of the light emitting layer 4 can be used. Thereby, the function as an n-type cladding layer can be imparted to the n-type layer 2. As the n-type layer 2, a single layer of GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN or the like, or a laminate of these layers can be used. When GaN is used for the substrate 1, it is desirable to use a GaN layer at least in contact with the substrate 1.

n型層2は、少なくともn側電極8が形成される層において、SiやGe等のn型不純物がドープされて、その電子濃度を1×1017cm-3以上で1×1019cm-3未満とすることが望ましい。電子濃度が1×1017cm-3よりも低くなると、n側電極8とのオーミック接触抵抗が高くなり、発光素子の動作電圧が高くなるからであり、1×1019cm-3よりも高くなると、n型不純物を高濃度にドープしたことに起因してn型層2の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。 The n-type layer 2 is doped with an n-type impurity such as Si or Ge at least in the layer where the n-side electrode 8 is formed, and its electron concentration is 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −. Desirably less than 3 . This is because, when the electron concentration is lower than 1 × 10 17 cm −3 , the ohmic contact resistance with the n-side electrode 8 is increased, and the operating voltage of the light emitting element is increased. This is higher than 1 × 10 19 cm −3. This is because the crystallinity of the n-type layer 2 tends to deteriorate due to the high concentration of n-type impurities.

n型層2の層厚は、0.1μm以上とすることが望ましい。0.1μmよりも薄いとエッチングによりn型層2内にn側電極8を形成するための露出面を形成する際のエッチング精度が非常に厳しくなるからである。n型層2の層厚の上限は特にはないが、露出面を形成する際のエッチング精度を緩和するとともに、n型層2の形成時間を不必要に長くならないようにするため、5μm以下程度とすることが望ましい。   The layer thickness of the n-type layer 2 is preferably 0.1 μm or more. This is because if the thickness is smaller than 0.1 μm, the etching accuracy when forming an exposed surface for forming the n-side electrode 8 in the n-type layer 2 by etching becomes very strict. The upper limit of the thickness of the n-type layer 2 is not particularly limited, but the etching accuracy when forming the exposed surface is eased and the formation time of the n-type layer 2 is not unnecessarily increased to about 5 μm or less. Is desirable.

n型層2は、n型層2内での電流(電子)の広がりを促進するために、n側電極8が形成される層よりも発光層4側において、電流拡散層として、相対的に電子濃度の低い層(抵抗率の高い層)を設けるか、又は、相対的にバンドギャップの大きい層を設けることが望ましい。これらの電流拡散層を設けることにより、n型層2内で電子が一時的に発光層4側へ流れにくくなり、n型層2の面内で電子が均一に広がり、これにより発光層4への均一な電子の注入が実現できるため、発光層4における発光分布が均一となり、その結果、基板1の裏面側の主発光面で均一な面発光が得られるからである。具体的な構成として、基板1にGaNを用いる場合には、基板1側から順に、第一のn型層としてGaNを、第二のn型層としてAlxGa1-xN(但し、0≦x≦0.2)を設けることが望ましい。さらに第二のn型層の上に、第三のn型層としてGaNを設けることもできる。ここで、第一のn型層はn側電極8が形成される層であり、第二のn型層と第三のn型層は電流拡散層となる。第二のn型層と第三のn型層は、n型不純物がドープされても良く、アンドープとされても良い。第二のn型層の層厚、あるいは第二のn型層と第三のn型層の合計の層厚は、0.002μm以上で0.2μm以下の範囲であることが望ましい。0.002μmよりも薄いと電流広がりの効果が小さくなる傾向にあり、0.2μmよりも厚くなると発光素子の直列抵抗が高くなって動作電圧が高くなるからである。そして、第二のn型層の層厚、あるいは第二のn型層と第三のn型層の合計の層厚に応じて電子濃度を調整することで、電流広がりの効果を奏しながら直列抵抗の低減を図ることができる。本発明者らの知見によれば、層厚を厚くするとともに電子濃度を高くすると良い。 In order to promote the spread of current (electrons) in the n-type layer 2, the n-type layer 2 is relatively positioned as a current diffusion layer on the light emitting layer 4 side than the layer on which the n-side electrode 8 is formed. It is desirable to provide a layer having a low electron concentration (a layer having a high resistivity) or a layer having a relatively large band gap. By providing these current diffusion layers, electrons temporarily do not easily flow to the light emitting layer 4 side in the n-type layer 2, and the electrons spread uniformly in the surface of the n-type layer 2, and thereby the light-emitting layer 4. This is because the uniform light emission distribution in the light emitting layer 4 becomes uniform, and as a result, uniform surface light emission is obtained on the main light emitting surface on the back surface side of the substrate 1. As a specific configuration, when GaN is used for the substrate 1, GaN is used as the first n-type layer and Al x Ga 1-x N (provided that 0 is used as the second n-type layer) from the substrate 1 side. ≦ x ≦ 0.2) is desirable. Furthermore, GaN can be provided on the second n-type layer as a third n-type layer. Here, the first n-type layer is a layer on which the n-side electrode 8 is formed, and the second n-type layer and the third n-type layer are current diffusion layers. The second n-type layer and the third n-type layer may be doped with an n-type impurity or undoped. The thickness of the second n-type layer or the total thickness of the second n-type layer and the third n-type layer is preferably in the range of 0.002 μm to 0.2 μm. This is because if the thickness is less than 0.002 μm, the current spreading effect tends to be small, and if the thickness is more than 0.2 μm, the series resistance of the light emitting element increases and the operating voltage increases. Then, by adjusting the electron concentration according to the thickness of the second n-type layer or the total thickness of the second n-type layer and the third n-type layer, the current spreading effect is achieved in series. The resistance can be reduced. According to the knowledge of the present inventors, it is preferable to increase the electron concentration while increasing the layer thickness.

発光層4には、n型層2並びにp型層6のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。特に、Alを含まないInGaNやGaNを用いると、紫外から緑色の波長域での発光強度を高くすることができる。発光層4がInを含む場合は、膜厚を0.01μmよりも薄くして単一量子井戸層とすると、発光層4の結晶性を高めることができ、発光効率をより一層高めることができる。   For the light emitting layer 4, a gallium nitride compound semiconductor having a band gap smaller than that of the n-type layer 2 and the p-type layer 6 can be used. In particular, when InGaN or GaN not containing Al is used, the emission intensity in the ultraviolet to green wavelength region can be increased. When the light emitting layer 4 contains In, the crystallinity of the light emitting layer 4 can be improved and the light emission efficiency can be further improved by making the film thickness thinner than 0.01 μm to form a single quantum well layer. .

また、発光層4は、InGaNやGaNからなる量子井戸層と、この量子井戸層よりもバンドギャップの大きいInGaN、GaN、AlGaN等からなる障壁層とを交互に積層させた多重量子井戸構造とすることもできる。   The light emitting layer 4 has a multiple quantum well structure in which a quantum well layer made of InGaN or GaN and a barrier layer made of InGaN, GaN, AlGaN or the like having a larger band gap than the quantum well layer are alternately stacked. You can also.

p型層6には、発光層4よりもバンドギャップの大きいp型の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。これにより、p型層6にp型クラッド層としての機能を付与できる。p型層6には、GaNやAlGaN、InGaN、InAlGaN等の単層、若しくはこれらの層を積層したものを用いることができる。特に、発光層4に接する側のp型層としてAlGaNを用いると、発光層4への電子の閉じ込めを効率的に行うことができ、発光効率を高くすることができるので好ましい。   A p-type gallium nitride compound semiconductor having a band gap larger than that of the light emitting layer 4 can be used for the p-type layer 6. Thereby, the p-type layer 6 can be provided with a function as a p-type cladding layer. As the p-type layer 6, a single layer of GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN or the like, or a laminate of these layers can be used. In particular, it is preferable to use AlGaN as the p-type layer on the side in contact with the light emitting layer 4 because electrons can be efficiently confined in the light emitting layer 4 and the light emission efficiency can be increased.

p型層6は、p型不純物がドープされて、p型伝導とされている。p型不純物には、Mg、Zn、Cd、C等を用いることができるが、比較的容易にp型とすることができるMgを用いることが好ましい。p型不純物濃度は1×1019cm-3以上で5×1020cm-3未満とすることが望ましい。p型不純物濃度が1×1019cm-3よりも低くなると、p側電極7とのオーミック接触抵抗が高くなり、発光素子の動作電圧が高くなるからであり、5×1020cm-3よりも高くなると、p型不純物を高濃度にドープしたことに起因してp型層6の結晶性が悪くなる傾向になるとともに、発光層4へのp型不純物の拡散が顕著になり、発光効率が低下するからである。 The p-type layer 6 is doped with a p-type impurity to have p-type conduction. Mg, Zn, Cd, C, or the like can be used as the p-type impurity, but it is preferable to use Mg that can be made p-type relatively easily. The p-type impurity concentration is desirably 1 × 10 19 cm −3 or more and less than 5 × 10 20 cm −3 . When p-type impurity concentration is lower than 1 × 10 19 cm -3, the ohmic contact resistance between the p-side electrode 7 increases, is because the operating voltage of the light-emitting element is higher than 5 × 10 20 cm -3 Higher, the crystallinity of the p-type layer 6 tends to be deteriorated due to the high concentration of the p-type impurity, and the diffusion of the p-type impurity into the light emitting layer 4 becomes remarkable. This is because of a decrease.

p型層6に比較的高い濃度のp型不純物をドープする際は、p型不純物の発光層4への過剰な拡散を抑制するために、発光層4とp型層6の間に、中間層を導入することもできる。この中間層には、InAlGaNを用いることができるが、特に、GaNを用いると、発光層4との界面の結晶性を良好に保つことができるので好ましい。中間層は、発光層4の方向に拡散するp型不純物の吸収層としての役目を果たすために、アンドープであることが好ましい。中間層の層厚は、0.001μm以上で0.05μm以下の範囲であることが望ましい。0.001μmよりも薄いとp型不純物の発光層4への拡散を抑制する効果が小さくなり、0.05μmよりも厚くなると発光層4への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下するようになるからである。   When the p-type layer 6 is doped with a relatively high concentration of p-type impurity, an intermediate between the light-emitting layer 4 and the p-type layer 6 is used to suppress excessive diffusion of the p-type impurity into the light-emitting layer 4. Layers can also be introduced. For this intermediate layer, InAlGaN can be used. In particular, GaN is preferable because the crystallinity at the interface with the light-emitting layer 4 can be kept good. The intermediate layer is preferably undoped in order to serve as an absorption layer for p-type impurities that diffuse in the direction of the light emitting layer 4. The thickness of the intermediate layer is desirably in the range of 0.001 μm to 0.05 μm. If the thickness is less than 0.001 μm, the effect of suppressing the diffusion of p-type impurities into the light-emitting layer 4 is reduced. If the thickness is more than 0.05 μm, the efficiency of hole injection into the light-emitting layer 4 is lowered, and the light emission efficiency is lowered Because it comes to do.

p型層6の層厚は、0.05μm以上で0.5μm以下の範囲とすることが好ましい。0.05μmよりも薄いとp側電極7の構成金属がエレクトロマイグレーション等による発光層4への侵入により、発光素子の寿命が低下しやすくなり、0.5μmよりも厚くなると電流(正孔)がp型層6を通過する際の電圧降下が増大し、発光素子の動作電圧が高くなるからである。   The layer thickness of the p-type layer 6 is preferably in the range of 0.05 μm to 0.5 μm. When the thickness is less than 0.05 μm, the constituent metal of the p-side electrode 7 easily enters the light-emitting layer 4 due to electromigration or the like, so that the lifetime of the light-emitting element is likely to be shortened. This is because the voltage drop when passing through the p-type layer 6 increases, and the operating voltage of the light emitting element increases.

p型層6のp側電極7に接する側は、バンドギャップの比較的小さいGaNやInGaNとすることができる。これにより、p側電極7との接触抵抗を小さくでき、動作電圧の低減を効果的に行うことができる。   The side of the p-type layer 6 in contact with the p-side electrode 7 can be made of GaN or InGaN having a relatively small band gap. Thereby, the contact resistance with the p-side electrode 7 can be reduced, and the operating voltage can be effectively reduced.

p側電極7には、AuやNi、Pt、Pd、Mg等の単体金属、あるいはそれらの合金や積層構造を用いることができる。特に、発光波長に対する反射率が高いAg、Pt、Mg、Al、Zn、Rh、Ru、Pd等の金属を用いると、発光層4からp側電極7の側へ向かう光を反射させて、基板1の裏面側から取り出すことができるので、発光強度向上の面で好ましい。   For the p-side electrode 7, a single metal such as Au, Ni, Pt, Pd, Mg, or an alloy or a laminated structure thereof can be used. In particular, when a metal such as Ag, Pt, Mg, Al, Zn, Rh, Ru, Pd or the like having a high reflectance with respect to the emission wavelength is used, light directed from the light emitting layer 4 toward the p-side electrode 7 is reflected, and the substrate is reflected. 1 can be taken out from the back surface side, which is preferable in terms of improving the light emission intensity.

n側電極8は、n型層2の上に形成された発光層4とp型層6からなる積層構造の表面側からこれらの一部を除去させて露出させたn型層2の表面に接して形成される。n側電極8をこのように配置する構成とすることにより、基板1の前記積層構造を形成していない裏面側を主発光面とすることができ、主発光面において均一な面発光が得られる。   The n-side electrode 8 is formed on the surface of the n-type layer 2 exposed by removing a part of these from the surface side of the laminated structure formed of the light-emitting layer 4 and the p-type layer 6 formed on the n-type layer 2. Formed in contact. By adopting a configuration in which the n-side electrode 8 is arranged in this way, the back side of the substrate 1 where the laminated structure is not formed can be used as the main light emitting surface, and uniform surface light emission can be obtained on the main light emitting surface. .

n側電極8には、AlやTi等の単体金属、またはAlやTi、Au、Ni、V、Cr等を含む合金、若しくはそれらの積層構造を用いることができる。
(実施の形態2)
For the n-side electrode 8, a single metal such as Al or Ti, an alloy containing Al, Ti, Au, Ni, V, Cr or the like, or a laminated structure thereof can be used.
(Embodiment 2)

以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の具体例について図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、主として有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものであるが、成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法や有機金属分子線エピタキシー法等を用いることも可能である。   Hereinafter, specific examples of the method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiment mainly shows a growth method of a gallium nitride-based compound semiconductor using a metal organic chemical vapor deposition method, but the growth method is not limited to this, and a molecular beam epitaxy method or an organic method is used. It is also possible to use a metal molecular beam epitaxy method or the like.

図2は本発明の他の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。   FIG. 2 is a sectional view showing the structure of a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.

本実施の形態においては、図2に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。   In the present embodiment, the gallium nitride compound semiconductor light emitting element shown in FIG. 2 was produced.

まず、表面を鏡面に仕上げられた厚さ約300μm、直径約50mmのウェハー状のGaNからなる基板1を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板1の温度を1100℃に10分間保ち、水素ガスを4リットル/分、窒素ガスを4リットル/分、アンモニアを2リットル/分で流しながら基板1を加熱することにより、基板1の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行った。   First, a substrate 1 made of wafer-shaped GaN having a mirror-finished thickness of about 300 μm and a diameter of about 50 mm is placed on a substrate holder in a reaction tube, and then the temperature of the substrate 1 is kept at 1100 ° C. for 10 minutes. By heating the substrate 1 while flowing hydrogen gas at 4 liters / minute, nitrogen gas at 4 liters / minute, and ammonia at 2 liters / minute, dirt and moisture such as organic substances adhering to the surface of the substrate 1 are removed. For cleaning.

次に、基板1の温度を1100℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素ガスを15リットル/分及び水素ガスを4リットル/分で流しながら、アンモニアを2リットル/分、トリメチルガリウム(以下、TMGと略称する。)を80μmol/分、10ppm希釈のモノシランを10cc/分、で供給して、SiをドープしたGaNからなるn型層2を2μmの厚さで成長させた。このn型層2の電子濃度は1×1018cm-3であった。 Next, while maintaining the temperature of the substrate 1 at 1100 ° C., while flowing nitrogen gas as a carrier gas at 15 liters / minute and hydrogen gas at 4 liters / minute, ammonia is supplied at 2 liters / minute, trimethylgallium (hereinafter, The abbreviated TMG) was supplied at 80 cc mol / min, 10 ppm diluted monosilane at 10 cc / min, and an n-type layer 2 made of Si-doped GaN was grown to a thickness of 2 μm. The n-type layer 2 had an electron concentration of 1 × 10 18 cm −3 .

n型層2を成長後、基板1の温度を1100℃に保持したままで、モノシランの供給を止め、キャリアガスとして窒素ガスを15リットル/分及び水素ガスを4リットル/分で流しながら、アンモニアを2リットル/分、TMGを40μmol/分、トリメチルアルミニウム(以下、TMAと略称する。)を3μmol/分、で供給して、アンドープのAl0.05Ga0.95Nからなるn型層3を0.05μmの厚さで成長させた。このn型層3の電子濃度は5×1016cm-3であった。 After the n-type layer 2 is grown, the supply of monosilane is stopped while the temperature of the substrate 1 is maintained at 1100 ° C., and ammonia gas is supplied as a carrier gas at a flow rate of 15 liter / minute of nitrogen gas and 4 liter / minute of hydrogen gas. Is supplied at a rate of 2 liter / min, TMG at 40 μmol / min, and trimethylaluminum (hereinafter abbreviated as TMA) at 3 μmol / min to form an n-type layer 3 made of undoped Al 0.05 Ga 0.95 N at 0.05 μm. Grown in thickness. The n-type layer 3 had an electron concentration of 5 × 10 16 cm −3 .

n型層3を成長後、TMGとTMAの供給を止め、基板1の温度を700℃まで降下させ、この温度に維持して、キャリアガスとして窒素ガスを15リットル/分で流しながら、アンモニアを6リットル/分、TMGを4μmol/分、トリメチルインジウム(以下、TMIと略称する。)を1μmol/分、で供給して、アンドープのIn0.15Ga0.85Nからなる単一量子井戸構造の発光層4を0.002μmの厚さで成長させた。 After growing the n-type layer 3, supply of TMG and TMA is stopped, the temperature of the substrate 1 is lowered to 700 ° C., and maintained at this temperature, while flowing nitrogen gas as a carrier gas at 15 liters / minute, ammonia is supplied. A light emitting layer 4 having a single quantum well structure made of undoped In 0.15 Ga 0.85 N is supplied at 6 liter / min, TMG at 4 μmol / min, and trimethylindium (hereinafter abbreviated as TMI) at 1 μmol / min. Was grown to a thickness of 0.002 μm.

発光層4を成長後、TMIの供給を止め、キャリアガスとして窒素ガスを15リットル/分で流しながら、アンモニアを6リットル/分、TMGを2μmol/分で供給して、基板1の温度を1050℃に向けて昇温させながら、アンドープのGaNからなる中間層5を0.004μmの厚さで成長させた。   After the light emitting layer 4 is grown, the supply of TMI is stopped, the nitrogen gas is supplied as a carrier gas at 15 liters / minute, ammonia is supplied at 6 liters / minute, TMG is supplied at 2 μmol / minute, and the temperature of the substrate 1 is increased to 1050. The intermediate layer 5 made of undoped GaN was grown to a thickness of 0.004 μm while raising the temperature to 0 ° C.

基板温度が1050℃に達したら、キャリアガスとして窒素ガスを15リットル/分及び水素ガスを4リットル/分で流しながら、アンモニアを2リットル/分、TMGを40μmol/分、TMAを3μmol/分、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(以下、Cp2Mgと略称する。)を0.1μmol/分、で供給して、MgをドープしたAl0.05Ga0.95Nからなるp型層6を0.2μmの厚さで成長させた。このp型層6のMg濃度は1×1020cm-3であった。 When the substrate temperature reaches 1050 ° C., nitrogen is flown at 15 liters / minute and hydrogen gas is flowed at 4 liters / minute as carrier gas, ammonia is 2 liters / minute, TMG is 40 μmol / minute, TMA is 3 μmol / minute, Biscyclopentadienylmagnesium (hereinafter abbreviated as Cp 2 Mg) is supplied at a rate of 0.1 μmol / min, and a p-type layer 6 made of Al 0.05 Ga 0.95 N doped with Mg is formed to a thickness of 0.2 μm. I grew up. The Mg concentration of the p-type layer 6 was 1 × 10 20 cm −3 .

p型層6を成長後、TMGとTMAとCp2Mgの供給を止め、窒素ガスを8リットル/分、アンモニアを2リットル/分で流しながら、基板1の温度を室温程度にまで冷却させて、基板1の上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されたウェハーを反応管から取り出した。 After the growth of the p-type layer 6, the supply of TMG, TMA, and Cp 2 Mg is stopped, and the temperature of the substrate 1 is cooled to about room temperature while flowing nitrogen gas at 8 liters / minute and ammonia at 2 liters / minute. The wafer in which the gallium nitride compound semiconductor was laminated on the substrate 1 was taken out from the reaction tube.

このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造に対して、別途アニールを施すことなく、その表面上にCVD法によりSiO2膜を堆積させた後、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより略方形状にパターンニングしてエッチング用のSiO2マスクを形成させた。そして、反応性イオンエッチング法により、p型層6と中間層5と発光層4とn型層3とn型層2の一部を約0.5μmの深さで積層方向と逆の方向に向かって除去させて、n型層2の表面を露出させた。そして、フォトリソグラフィーと蒸着法により、露出させたn型層2の表面上の一部に、0.1μm厚のTiと0.5μm厚のAuを積層したn側電極8を蒸着形成させた。さらに、エッチング用のSiO2マスクをウェットエッチングにより除去させた後、フォトリソグラフィーと蒸着法により、p型層6の表面上のほぼ全面に、0.3μm厚のPtと0.5μm厚のAuとからなるp側電極7を蒸着形成させた。 After the SiO 2 film is deposited on the surface of the laminated structure made of the gallium nitride compound semiconductor formed in this way by the CVD method without performing any additional annealing, it is roughly processed by photolithography and wet etching. An SiO 2 mask for etching was formed by patterning into a shape. Then, a part of the p-type layer 6, the intermediate layer 5, the light emitting layer 4, the n-type layer 3 and the n-type layer 2 is formed at a depth of about 0.5 μm in the direction opposite to the stacking direction by reactive ion etching. Then, the surface of the n-type layer 2 was exposed. Then, an n-side electrode 8 in which 0.1 μm-thick Ti and 0.5 μm-thick Au were laminated was formed on a part of the exposed surface of the n-type layer 2 by photolithography and vapor deposition. Further, after the etching SiO 2 mask is removed by wet etching, 0.3 μm thick Pt and 0.5 μm thick Au are formed on almost the entire surface of the p-type layer 6 by photolithography and vapor deposition. A p-side electrode 7 made of was formed by vapor deposition.

この後、基板1の裏面を研磨して100μm程度の厚さに調整し、スクライブによりチップ状に分離した。このようにして、図2に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られた。   Thereafter, the back surface of the substrate 1 was polished and adjusted to a thickness of about 100 μm, and separated into chips by scribing. In this manner, the gallium nitride compound semiconductor light emitting device shown in FIG. 2 was obtained.

この発光素子を、電極形成面側を下向きにして、正負一対の電極を有するSiダイオードの上にAuバンプにより接着させた。このとき、発光素子のp側電極7およびn側電極8が、それぞれSiダイオードの負電極および正電極と接続されるようにして発光素子を搭載する。この後、発光素子を搭載させたSiダイオードを、Agペーストによりステム上に載置し、Siダイオードの正電極をステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを20mAの順方向電流で駆動したところ、ピーク発光波長470nmの青色で発光し、基板1の裏面側から均一な面発光が得られた。このときの発光出力は3mWであり、順方向動作電圧は3.4Vであった。   This light emitting element was bonded by Au bumps on a Si diode having a pair of positive and negative electrodes with the electrode formation surface side facing down. At this time, the light-emitting element is mounted so that the p-side electrode 7 and the n-side electrode 8 of the light-emitting element are connected to the negative electrode and the positive electrode of the Si diode, respectively. Thereafter, the Si diode on which the light emitting element was mounted was placed on the stem with Ag paste, the positive electrode of the Si diode was connected to the electrode on the stem with a wire, and then resin molded to produce a light emitting diode. When this light emitting diode was driven with a forward current of 20 mA, light was emitted in blue with a peak emission wavelength of 470 nm, and uniform surface light emission was obtained from the back side of the substrate 1. The light emission output at this time was 3 mW, and the forward operation voltage was 3.4V.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができるので、発光素子直上で均一な配光分布が望まれる発光ダイオードなどに好適である。   The gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device of the present invention improves the light distribution characteristics immediately above the light-emitting device and can maintain a high light emission intensity, so that a light-emitting diode that is desired to have a uniform light distribution just above the light-emitting device It is suitable for such as.

1 基板
2 n型層
3 n型層
4 発光層
5 中間層
6 p型層
7 p側電極
8 n側電極
1 substrate 2 n-type layer 3 n-type layer 4 light-emitting layer 5 intermediate layer 6 p-type layer 7 p-side electrode 8 n-side electrode

Claims (1)

第一の主面と第二の主面を有する透光性のn型の窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板の第一の主面上に、少なくとも窒化ガリウム系化合物半導体からなるn型層と発光層とp型層との積層構造が設けられ、n側電極が前記積層構造の表面側からその一部を除去させて露出された前記n型層の表面に接して設けられ、p側電極が前記p型層の表面に接して設けられ、前記基板の前記第二の主面が主発光面である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子をAuバンプにより接着させたことを特徴とする発光ダイオード。 On the first main surface of a substrate made of a light-transmitting n-type gallium nitride compound semiconductor having a first main surface and a second main surface, at least an n-type layer made of a gallium nitride compound semiconductor and light emission A stacked structure of a layer and a p-type layer is provided, and an n-side electrode is provided in contact with the surface of the n-type layer exposed by removing a part thereof from the surface side of the stacked structure; A light-emitting diode comprising a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting element provided in contact with the surface of the p-type layer and having the second main surface of the substrate as a main light-emitting surface bonded by an Au bump.
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