JP2010225771A

JP2010225771A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2010225771A
Application number: JP2009070322A
Authority: JP
Inventors: Masahisa Kamiya; 真央神谷
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-10-07
Also published as: US9343630B2; US20100237381A1

Abstract

【課題】半導体積層体における電流の拡散性を損なうことなく、素子の光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１は、第１導電型層、発光層及び第２導電型層を下側からこの順で有する半導体積層体と、第１導電型層上に形成される第１電極１０と、第２導電型層上に形成され酸化物からなり第２導電型層よりもシート抵抗が小さい透明電極２１、及び、透明電極２１上に形成され金属からなり透明電極２１よりもシート抵抗が小さい補助電極２２を有する第２電極２０と、を備え、補助電極２２は、平面視にて第１電極１０を包囲する線状の包囲部２４と、平面視にて包囲部２４の外側に形成されワイヤを接続するためのパッド部２３と、を有し、包囲部２４は、第１電極１０との平面視の距離が最小となる最小距離部２５を、周方向について複数箇所有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｎ型層、発光層及びｐ型層を下側からこの順で有する半導体積層体を備えた半導体発光素子に関する。

従来、この種の半導体発光素子として、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層、ｉ型ＧａＮ層が順に積層され、ｎ型ＧａＮ層上の電極がｉ型ＧａＮ層上の電極により取り囲まれた青色発光デバイスが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型クラッド層、ＩｎＧａＡｌＰからなる活性層、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型クラッド層を順に積層し、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層上のＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ側電極が、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ層上のＡｕＺｎ／Ａｕからなるｐ側電極により囲まれてなる発光ダイオードも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

実開平４−１０３６６６号公報特開平７−２５４７３２号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の半導体発光素子では、ｉ型ＧａＮ層上あるいはｐ型クラッド層上の電極が金属からなることから、当該電極による遮光作用により、光取り出し効率が悪いという問題点がある。

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、半導体積層体における電流の拡散性を損なうことなく、素子の光取り出し効率を向上させることのできる半導体発光素子を提供することにある。

本発明によれば、第１導電型層、発光層及び第２導電型層を下側からこの順で有する半導体積層体と、前記第１導電型層上に形成される第１電極と、前記第２導電型層上に形成され酸化物からなり当該第２導電型層よりもシート抵抗が小さい透明電極、及び、当該透明電極上に形成され金属からなり当該透明電極よりもシート抵抗が小さい補助電極を有する第２電極と、を備え、前記補助電極は、平面視にて前記第１電極を包囲する線状の包囲部と、平面視にて前記包囲部の外側に形成されワイヤを接続するためのパッド部と、を有し、前記包囲部は、前記第１電極との平面視の距離が最小となる最小距離部を、周方向について複数箇所有する半導体発光素子が提供される。

この半導体発光素子によれば、第１電極及び第２電極に電圧を印加すると、第１導電型層、発光層及び第２導電型層に電流が流れ、電子と正孔の再結合により発光層から光が放射される。ここで、第２電極において、補助電極が透明電極よりもシート抵抗が小さいことから、透明電極における補助電極との接触部分に優先的に電流が流れる。補助電極は、平面視にて、第２電極を包囲する包囲部を有し、しかも包囲部が第１電極との距離が最小となる最小距離部を複数箇所有することから、補助電極と第１電極との間で電流は均一に拡散する。これにより、電圧印加時、発光層にて比較的大きな面積で発光させることができる。また、第２導電型層上の透明電極により光の取り出しが阻害されることはないし、透明電極上の補助電極は線状であることから補助電極による光取り出し効率の低下を最小限に抑制することができる。

上記半導体発光素子において、前記透明電極は、前記第１導電型層よりもシート抵抗が大きくしてもよい。

この半導体発光素子によれば、特に大電流を流す場合において、透明電極が第１導電型層よりもシート抵抗が大きいことから、平面視にて、発光層における補助電極の近傍に発光が集中することとなる。ここで、補助電極は第１電極を包囲するように形成されていることから、透明電極が第１導電型層よりもシート抵抗が小さい場合と比べて、電流が集中するエリアが拡げられ、過度の電流集中を防止して電流を拡散させることができる。

上記半導体発光素子において、前記第１電極は、平面視にて円形に形成される構成としてもよい。

上記半導体発光素子において、前記包囲部は、平面視にて、前記パッド部の前記第１電極側端部と一体的に形成され、前記第１電極と同心の円弧状の円弧状区間を有してもよい。

上記半導体発光素子において、前記包囲部は、平面視にて、前記第１電極と同心の円周状に形成されてもよい。

本発明によれば、半導体積層体における電流の拡散性を損なうことなく、素子の光取り出し効率を向上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素子の模式平面図である。図２は、ＬＥＤ素子の模式断面図である。図３は、透明電極のシート抵抗がｎ型層よりも大きい場合の発光状態を示すＬＥＤ素子の模式平面図である。図４は、透明電極のシート抵抗がｎ型層よりも小さい場合の発光状態を示すＬＥＤ素子の模式平面図である。図５は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式平面図である。図６は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式平面図である。図７は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式平面図である。

図１及び図２は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は本発明の一実施形態を示すＬＥＤ素子の模式平面図、図２はＬＥＤ素子の模式断面図である。
図１に示すように、このＬＥＤ素子１は、上面側にｎ側電極１０及びｐ側電極２０が形成されるフェイスアップ型である。平面視にて、ｎ側電極１０はＬＥＤ素子１の上面の中央に形成され、ｐ側電極２０がｎ側電極１０を取り囲むよう形成されている。本実施形態においては、平面視にて、ＬＥＤ素子１は略正方形状を呈し、ｎ側電極１０はＬＥＤ素子１の中央側の領域に円形に形成され、ｐ側電極２０はＬＥＤ素子１の外縁側の領域に形成されている。

図２に示すように、ＬＥＤ素子１は、サファイアからなる基板３０と、基板３０上に形成されＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）の式で表されるＧａＮ系半導体４０と、を備えている。半導体積層体としてのＧａＮ系半導体４０は、基板３０上に成膜されるバッファ層４１と、バッファ層４１上に形成される第１導電型層としてのｎ型層４２と、ｎ型層４２上に形成される多重量子井戸構造の発光層４３と、発光層４３上に形成される第２導電型層としてのｐ型層４４と、を下側からこの順で有している。

バッファ層４１は、例えばＡｌＮにより形成される。また、ｎ型層４２は、例えば、ＳｉドープのＧａＮからなるｎ型コンタクト層と、ＳｉドープのＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層と、から構成することができる。また、バッファ層４１とｎ型層４２の間にノンドープのＧａＮ層を形成してもよい。

発光層４３は、例えば、ＩｎＧａＮからなる井戸層とノンドープのＧａＮからなる障壁層を所定のペア数積層して構成することができる。また、ｐ型層４４は、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層と、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型コンタクト層と、から構成することができる。

ＧａＮ系半導体４０の平面視中央部は、ｎ型層４２が露出するまで例えばエッチングにより掘削され、露出したｎ型層４２上に第１電極としてのｎ側電極１０が形成される。本実施形態においては、ＧａＮ系半導体４０は、平面視円形に掘削される。また、第２電極としてのｐ側電極２０は、ｐ型層４４上に形成される透明電極２１と、透明電極２１上に形成される金属製の補助電極２２と、を有している。

ｎ側電極１０は、例えば、Ｖからなる第１層と、Ａｌからなる第２層とから構成することができる。透明電極２１は、酸化物からなり、例えば、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）により形成することができる。尚、透明電極２１は、インジウム−ガリウム酸化物(ＩＧＯ)、インジウム−酸化亜鉛（ＩＺＯ）、インジウム−セリウム酸化物（ＩＣＯ）、酸化錫（ネサ）、酸化亜鉛等に形成することもできる。また、補助電極２２は、金属からなり、例えば、Ｎｉからなる第１層と、Ａｕからなる第２層とから構成することができる。

図１に示すように、本実施形態においては、透明電極２１は、ｐ型層４４上の外縁部分を除いてｐ型層４４上のほぼ全面に形成されている。また、補助電極２２は、平面視にて、ＬＥＤ素子１における１つの隅部（図１においては右下の隅部）の近傍に形成されるパッド部２３と、パッド部２３と連続的に形成されｎ側電極１０を取り囲む線状の包囲部２４と、を有している。

本実施形態においては、パッド部２３は円形に形成され、包囲部２４はｎ側電極１０と同心の円弧状に形成される。包囲部２４は、平面視にて、パッド部２３のｎ側電極１０側端部と一体的に形成されており、ｎ側電極１０と同心の円弧状の円弧状区間を有するといえる。パッド部２３は包囲部２４の外側に形成され、ワイヤが接続されて外部からの電力供給部位として機能し、包囲部２４はＧａＮ系半導体４０へ流れる電流を拡散させる機能を有している。

包囲部２４は、電流拡散を考慮すると、ｎ側電極１０との平面視の距離が最小となる最小距離部２５を、周方向について複数箇所有する必要がある。本実施形態においては、包囲部２４は、周方向にわたってｎ側電極１０との距離が一定となっており、最小距離部２５を周方向にわたって複数箇所有しているといえる。線状の包囲部２４の幅寸法は任意であるが、本実施形態においては１０μｍである。

また、本実施形態においては、透明電極２１は、ｎ型層４２よりもシート抵抗が大きくなっている。尚、透明電極２１は、ｐ型層４４よりもシート抵抗が小さくなっている。そして、補助電極２２は、透明電極２１よりもシート抵抗が小さくなっている。

また、図１に示すように、ｎ側電極１０と包囲部２４の距離をａとし、包囲部２４の外縁から透明電極２１の辺部外縁までの距離をｂ１とし、包囲部２４の外縁から透明電極２１の隅部外縁までの距離をｂ２とし、パッド部２３の直径をｃとしたとき、
ａ＞ｂ１かつｂ２＞ｃ
とすることが望ましい。

以上のように構成されたＬＥＤ素子１は、ｎ側電極１０及びｐ側電極２０に電圧を印加すると、ｎ型層４２、発光層４３及びｐ型層４４に電流が流れ、電子と正孔の再結合により発光層４３から所定波長の光が放射される。本実施形態においては、発光層４３から青色光が放射される。

ここで、ｐ側電極２０において、補助電極２２が透明電極２１よりもシート抵抗が小さいことから、透明電極２１における補助電極２２との接触部分に優先的に電流が流れる。補助電極２２は、平面視にて、ｎ側電極１０を包囲する包囲部２４を有し、しかも包囲部２４がｎ側電極１０との距離が最小となる最小距離部２５を複数箇所有することから、補助電極２２とｎ側電極１０との間で電流は均一に拡散する。これにより、電圧印加時、発光層４３にて比較的大きな面積で発光させることができる。

発光層４３から放射される光のうち、ｐ側電極２０へ向かう成分については、透明電極２１を透過して素子外部へ出射される。ここで、補助電極２２の包囲部２４は、線状に形成されているので、当該包囲部２４により外部への光の出射が阻害されることはなく、補助電極２２による光取り出し効率の低下を最小限に抑制することができる。

本実施形態においては、ｎ側電極１０が円形であり、包囲部２４がこれと同心の円周状であることから、包囲部２４は周方向にわたってｎ側電極１０との距離が等しく、包囲部２４とｎ側電極１０で電流をより均一に拡散することができ、実用に際して極めて有利である。

また、本実施形態においては、補助電極２２の包囲部２４を、隅部に形成されるパッド部２３のｎ側電極１０側端部から、ｎ側電極１０と同心の円周状としたので、包囲部２４とｎ側電極１０との距離を比較的大きくとることができる。これにより、包囲部２４をｎ側電極１０から比較的離隔して形成することができ、発光層４３をより効果的に発光させることができる。

また、ｐ側電極２０の透明電極２１のシート抵抗を、ｎ型層４２のシート抵抗よりも大きくしたので、特に大電流を流す場合において、図３に示すように、平面視にて、発光層４３における補助電極２２の近傍に発光が集中することになる。図３においては、発光層４３の主発光領域をＡとして図示している。ここで、補助電極２２はｎ側電極１０を包囲するように形成されていることから、発光層４３における電流が集中するエリアを、透明電極２１がｎ型層４２よりもシート抵抗が小さい場合と比べて、拡げることができる。また、過度の電流集中を防止することができる。これにより、透明電極２１とｎ型層４２のシート抵抗が異なる場合であっても、発光層４３における発光が均一となり、発光量を比較的大きくすることができる。また、電流が比較的拡散することから信頼性を確保しやすく、かつ、静電耐圧性能も比較的高くすることができる。

これに対し、図４に示すように、ｎ型層４２のシート抵抗が透明電極２１のシート抵抗より大きく、大電流を流す場合、ｎ型電極１０側に発光が集中することになる。図４においては、発光層４３の主発光領域をＡとして図示している。この形態であっても、従来公知のＬＥＤ素子に対しては、発光量は大きく、信頼性及び静電耐圧性能も高い。しかしながら、透明電極２１のシート抵抗が大きい場合に比べると、発光量が小さくなり、信頼性が劣り、静電耐圧性能も低くなる。

尚、透明電極２１のシート抵抗とｎ型層４２のシート抵抗を等しく管理することができれば、両者のシート抵抗を等しくすることが望ましいことはいうまでもないが、製造条件等を厳密に管理しなければならず、ＬＥＤ素子１の製造コストが極めて高いものとなる。従って、透明電極２１のシート抵抗と、ｎ型層４２のシート抵抗のばらつきを許容することとし、このばらつきを考慮して透明電極２１のシート抵抗を高く設定しておくことにより、性能の比較的高いＬＥＤ素子１を低コストで確実に得ることができる。

尚、前記実施形態においては、補助電極２２の包囲部２４が円周状であるものを示したが、例えば図５に示すように、パッド部２３の近傍をパッド部２３のｎ側電極１０側端部と一体的に形成される円弧状区間２４ａとし、パッド部２３と離隔した部分をＬＥＤ素子２の外縁に沿った外縁区間２４ｂとしてもよい。この場合、外縁区間２４ｂにｎ側電極１０との距離が最短となる最短距離部２５を形成することが好ましい。ここで、補助電極２２は、周方向について最短距離部２５を複数箇所有していれば包囲部２４の形状は任意である。図５のＬＥＤ素子１では、補助電極２２は、円弧状区間２４ａもｎ側電極１０との距離ａが最短であり、円弧状区間２４ａも最短距離部２５ということができる。

また、前記実施形態においては、ｎ側電極１０が平面視にて円形に形成されるものを示したが、ｎ側電極１０が多角形に形成されるものであってもよい。また、ＬＥＤ素子１が平面視にて略正方形状に形成されるものを示したが、例えば図６及び図７に示すように略長方形状であったり、他の形状であってもよいことは勿論である。

さらには、例えば図６及び図７に示すように、ｎ側電極１０が円形或いは多角形に形成される本体１０ａと、本体１０ａから所定方向へ延びる延在部１０ｂと、を有するものであってもよい。図６及び図７においては、ＬＥＤ素子１は平面視にて横長の長方形状を呈し、円形の本体１０ａがＬＥＤ素子１の長尺方向の一方寄りに配置され、延在部１０ｂが他方へ向かって延びている。延在部１０ｂの幅寸法は、本体１０ａの直径よりも短く形成される。図６及び図７においては、延在部１０ｂの幅方向一方の外縁は、円形の本体１０ａの接線をなしている。また、延在部１０ｂの先端は、半円状に形成されている。図６及び図７においては、補助電極２２は、本体１０ａとの距離が一定である第１円弧状区間２４ｃを平面視一方に有し、延在部１０ｂの先端との距離が一定である第２円弧状区間２４ｄを平面視他方に有している。

図６のＬＥＤ素子１では、延在部１０ｂはＬＥＤ素子１の長尺の辺部と平行に延びている。補助電極２２は、第１円弧状区間２４ｃ及び第２円弧状区間２４ｄに加え、各円弧状区間２４ｃ，２４ｄを接続する直線区間２４ｅ及び湾曲区間２４ｆを有している。直線区間２４ｅは、延在部１０ｂの幅方向一方の外縁に沿って形成され、湾曲区間２４ｆはｎ側電極１０に対して凹の曲線に形成されている。このＬＥＤ素子１では、直線区間２４ｅは、平面視にてＬＥＤ素子１の外縁と一定の距離で形成される。補助電極２２のパッド部２３は、湾曲区間２４ｆの外側に配置される。第１円弧状区間２４ｃ、第２円弧状区間２４ｄ及び直線区間２４ｅは、ｎ側電極１０との距離ａが等しく形成され、これらは最短距離部２５ということができる。

図７のＬＥＤ素子１では、延在部１０ｂはＬＥＤ素子１の長尺の辺部に対して傾斜して延びている。補助電極２２は、第１円弧状区間２４ｃ及び第２円弧状区間２４ｄに加え、各円弧状区間２４ｃ，２４ｄを接続する第１直線区間２４ｇ及び第２直線区間２４ｈを有している。第１直線区間２４ｇは、延在部１０ｂの幅方向一方の外縁に沿って形成され、第２直線区間２４ｈは第１直線区間２４ｇと比べるとｎ側電極１０との距離をおいて形成されている。このＬＥＤ素子１では、第２直線区間２４ｈが平面視にてＬＥＤ素子１の外縁と一定の距離で形成され、第１直線区間２４ｇは、ＬＥＤ素子１の外縁に対して傾斜して形成されている。補助電極２２のパッド部２３は、第１直線区間２４ｇの外側に配置される。第１円弧状区間２４ｃ、第２円弧状区間２４ｄ及び第１直線区間２４ｇは、ｎ側電極１０との距離ａが等しく形成され、これらは最短距離部２５ということができる。

また、前記実施形態においては、半導体積層体としてＧａＮ系半導体層４０を用いたものを示したが、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＡｓＰ系、ＧａＰ系、ＺｎＳｅ系、ＡｌＧａＩｎＰ系等の半導体材料を用いることもできる。また、半導体積層体の第１導電型層としてｎ型層４２、第２導電型層としてｐ型層４４が形成されるものを示したが、第１導電型層をｐ型層とし、第２導電型層をｎ型層としたり、ｎ型、ｐ型以外の導電型の層を利用するようにしてもよい。

また、前記実施形態においては、基板３０にサファイアを用いたが、ＧａＮ等から構成することもできるし、ｎ側電極１０、補助電極２２等の材質も任意に変更することができ、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である

１ＬＥＤ素子
１０ｎ側電極
１０ａ本体
１０ｂ延在部
２０ｐ側電極
２１透明電極
２２補助電極
２３パッド部
２４包囲部
２４ａ円弧状区間
２４ｂ外縁区間
２４ｃ第１円弧状区間
２４ｄ第２円弧状区間
２４ｅ直線区間
２４ｆ湾曲区間
２４ｇ第１直線区間
２４ｈ第２直線区間
２５最短距離部
３０基板
４０ＧａＮ系半導体層
４１バッファ層
４２ｎ型層
４３発光層
４４ｐ型層
Ａ主発光領域

Claims

第１導電型層、発光層及び第２導電型層を下側からこの順で有する半導体積層体と、
前記第１導電型層上に形成される第１電極と、
前記第２導電型層上に形成され酸化物からなり当該第２導電型層よりもシート抵抗が小さい透明電極、及び、当該透明電極上に形成され金属からなり当該透明電極よりもシート抵抗が小さい補助電極を有する第２電極と、を備え、
前記補助電極は、平面視にて前記第１電極を包囲する線状の包囲部と、平面視にて前記包囲部の外側に形成されワイヤを接続するためのパッド部と、を有し、
前記包囲部は、前記第１電極との平面視の距離が最小となる最小距離部を、周方向について複数有する半導体発光素子。
前記透明電極は、前記第１導電型層よりもシート抵抗が大きい請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第１電極は、平面視にて円形に形成される請求項２に記載の半導体発光素子。
前記包囲部は、平面視にて、前記パッド部の前記第１電極側端部と一体的に形成され、前記第１電極と同心の円弧状の円弧状区間を有する請求項３に記載の半導体発光素子。
前記包囲部は、平面視にて、前記第１電極と同心の円周状に形成される請求項４に記載の半導体発光素子。