JP2013135098A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光取出し効率の高い、半導体発光装置を提供する。
【解決手段】半導体発光装置はシリコン半導体基板１と、発光素子用の主半導体領域２と、第１の電極３と、第２の電極４と、を有する。第１の電極はボンディングパッド電極を有する。主半導体領域の上に光透過性導電膜１９、及び絶縁膜１７が配置されている。前記シリコン半導体基板に対する前記主半導体領域の外周部の端面のテーパー角を急峻に形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、特にショットキバリアダイオード、pn接合ダイオード、バリスタ、コンデンサ等の過電圧保護素子を伴った半導体発光装置に関する。

過電圧保護素子を伴った半導体発光装置は、本件出願人に係わる特開２００６−６６８６３号公報（特許文献１）に開示されている。ここに開示されている半導体発光装置は、シリコン半導体基板と、この上に形成された複数の窒化物半導体層から成る発光半導体領域と、発光半導体領域の表面に形成された光透過性導電膜と、光透過性導電膜に接続されたボンディングパッド電極と、半導体基板の底面に形成された基板電極と、半導体基板の中又は上に形成された過電圧保護素子とを有する。過電圧保護素子はボンディングパッド電極の下に配置されているので、半導体発光装置の大型化を抑えて発光ダイオードを過電圧から保護することができる。

ところで、光透過性導電膜は、発光半導体領域のボンディングパッド電極よりも外周側部分に電流を流すために機能する。この機能を良好に得るために、光透過性導電膜の電気抵抗は小さく且つ光透過性は大きいことが望ましい。しかし、光透過性導電膜として一般に使用されているインジウム・錫・オキサイド（以下、ITOと言う）は、金属膜に比べて抵抗率が高い。また、ITOは１００％の光透過性を有してはいないので、極力薄く形成される。従って、ITOから成る光透過性導電膜のシート抵抗は比較的大きく、発光半導体領域のボンディングパッド電極から離れた部分に電流を十分に流すことが困難である。なお、ITO以外の材料で光透過性導電膜を形成する場合においても光透過性と導電性との両方を満足させることが困難であった。

上記問題を解決するために、特開２００７−３１１５０６号公報（特許文献２）には以下の技術が開示される。シリコン半導体基板と発光素子用の主半導体領域と第１の電極と第２の電極とを有し、シリコン半導体基板には保護素子形成領域を有し、第１の電極はボンディングパッド電極を有し、平面的に見て、保護素子形成領域はボンディングパッド部分の内側に配置され、主半導体領域の上に光透過性導電膜及び絶縁膜が配置され、さらに,絶縁膜に孔が形成され、この孔を含むように形成された帯状接続導体層によってボンディングパッド電極部分と光透過性導電膜とが接続されている。
このように構成することで、過電圧保護素子を伴った半導体発光装置の小型化を図ると共に、主半導体領域の電流の均一化を図ることができる。

特開２００６−６６８６３号公報 特開２００７−３１１５０６号公報

しかしながら、特許文献２に開示された半導体装置においては、以下の点について配慮がなされていなかった。ｎ型バッファ層１０、ｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層を順次積層した主半導体領域２の外側端面が、シリコン半導体基板１に対して緩やかなテーパー角を有しているため、動作時に活性層１２から発生する光は、当該端面で反射し、シリコン半導体基板１に吸収されてしまうため、光の取り出し効率が悪く、発光効率の低下を招いていた。

上記課題を解決するため、本発明は、
一方の主面と他方の主面とを有し且つ導電性を有している基板と、光取り出し可能な第１の主面と前記第１の主面に対向し且つ前記基板の前記一方の主面に電気的及び機械的に結合されている第２の主面とを有し且つ光を発生するための複数の半導体層を有している主半導体領域と、前記主半導体領域の前記第１の主面の一部を覆っているボンディングパッド電極と、前記基板に形成された基板電極と、前記主半導体領域の前記一方の主面上に形成された光透過性導電膜と、を備え、前記基板に対する前記主半導体領域の外周部の端面のテーパー角が７０°〜９０°の範囲であることを特徴とする。

光取出し効率の高い半導体発光装置を提供できる。

従来及び本発明の過電圧保護機能を有する半導体発光装置を概略的に示す平面図である。 従来の過電圧保護機能を有する半導体発光装置のＡ−Ａ方向の縦断面である。 本発明の過電圧保護機能を有する半導体発光装置のＡ−Ａ方向の縦断面である。 半導体発光装置における主半導体領域の外側端面の断面拡大図を比較したものである。（ａ）は従来の半導体発光装置を示したものであり、（ｂ）は本発明の半導体発光装置を示したものである。 テーパー角度に対する半導体発光装置の輝度についての相関関係を示すグラフである。

次に、本発明の実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、ここで示す実施形態は一例であって、本発明はここに示す実施形態に限定される趣旨ではない。

図３に示す本発明の実施例1に従う過電圧保護素子を伴った半導体発光装置、即ち発光ダイオードと過電圧保護素子としてのショットキーバリアダイオードとの複合半導体装置を示す。なお、実施例１に係る発光装置は、上面視においては図１に示す従来の過電圧保護素子を伴った半導体発光装置と同様の構成となっている。
実施例１に係る半導体発光装置は、図３に示す通り、図２に示す従来の半導体発光装置と比較し、シリコン半導体基板１と主半導体領域２の外側端面とでなすテーパー角θが定義されている点が異なる。以下、各部を詳しく説明する。

半導体基板１は導電型決定用不純物としてボロン等の3族元素を含むｐ型単結晶シリコン基板から成り、一方の主面５と他方の主面６とを有し且つほぼ中央に保護素子形成領域７を有している。半導体基板１のp型不純物濃度は、例えば5×10¹⁸〜5×10¹⁹cm^-3程度あり
、抵抗率は0.0001Ω・ｃm〜0．01Ω・ｃm程度である。従って、半導体基板１は導電性基
板であり、発光素子及び保護素子の電流通路として機能する。即ち、半導体基板１の中央
の保護素子形成領域７はショットキーバリアダイオードの本体部としても機能すると共に
この電流通路として機能し、また半導体基板１の保護素子形成領域７を囲む外側領域８は
発光素子の電流通路として機能する。更に、半導体基板１は、主半導体領域２のエピタキ
シャル成長のための基板としての機能、及び発光素子を構成するための主半導体領域２と
第１の電極３との支持体としての機能を有する。半導体基板１の好ましい厚みは比較的厚
い100〜500μmである。なお、図3から明らかなように半導体基板１の一方の主面５の外周部分に段差が形成され且つ中央に凹部９が形成されているが、半導体基板１の一方の主面５の全部を平坦にすることができる。また、半導体基板１の導電型をｎ型にすることができる。また、半導体基板１の外側領域８の不純物濃度を保護素子形成領域７よりも高くし、これにより、外側領域８の抵抗率を保護素子形成領域７よりも低くし、発光素子の動作時の外側領域８における電圧降下を低減することができる。

発光素子の主要部を構成するための主半導体領域２は、シリコン半導体基板１と異種の３−５族化合物半導体から成る複数の層を有し、シリコン半導体基板１の上に周知の気相成長法によって形成されている。更に詳細には、主半導体領域２は、ダブルヘテロ接合発光ダイオードを構成するためにｎ型バッファ層１０とｎ型半導体層１１と活性層１２とｐ型半導体層１３とを順次に有している。なお、ｎ型半導体層１１をｎ型クラッド層と呼び、ｐ型半導体層１３をｐ型クラッド層と呼ぶことがある。発光ダイオードは原理的にｎ型半導体層１１とｐ型半導体層１３のみで構成できる。従って、主半導体領域２からｎ型バッファ層１０と活性層１２とのいずれか一方又は両方を省くことができる。また、必要に応じて周知の電流分散層又はオーミックコンタクト層等を主半導体領域２に付加することができる。主半導体領域２の第１の主面１４及び第２の主面１５は半導体基板１に平行に延びている。主半導体領域２の第１の主面１４は活性層１２で発生した光を外部に取り出す面としての機能を有する。主半導体領域２の第２の主面１５は半導体基板１に電気的及び機械的に結合されている。

主半導体領域２は、第１の主面１４から第２の主面１５に貫通する孔１６をそのほぼ中央に有している。この孔１６はシリコン半導体基板１の凹部９に連続している。孔１６及び凹部９は、凹部９を形成する前のシリコン半導体基板１の上に主半導体領域２をエピタキシャル成長させた後にエッチングによって形成される。このため、シリコン半導体基板１と主半導体領域２との間に生じた合金化層は除去され、シリコン半導体基板１の凹部９の表面にシリコンが露出する。また、孔１６及び凹部９の壁面は主半導体領域２の第１の主面１４から第２の主面１５に向って先細になるように傾斜している。なお、シリコン半導体基板１の凹部９は保護素子形成領域７に設けられている。

同様に、主半導体領域２の外側（外周部）もエッチングを行うが、この時、図３に示すシリコン半導体基板１と主半導体領域２の外側端面とでなすテーパー角θを７０°〜９０°の範囲、さらに好ましくは８０°〜９０°の範囲となるよう形成する。

図４は、シリコン半導体基板１と主半導体領域２の外側端面とでなすテーパー角θによって、活性層１２で発生した光が主半導体領域２の外側端面から出射する際の光の向きが異なることを示したものである。
図４（ａ）は、図２に示した従来の過電圧保護機能を有する半導体発光装置の主半導体領域２の外側端面周辺部の断面拡大図であり、テーパー角θが比較的緩やかなものである。活性層１２で発生した光は図中の矢印で示したように、主半導体領域２の外側端面まで進むと、主半導体領域２の外側端面の内面で、シリコン半導体基板１方向へ反射するため、シリコン半導体基板１にその光の一部が吸収される。そのため、光の取り出し効率が悪く、発光効率の低下を招く原因となっていた。
一方、図４（ｂ）は、前記テーパー角θを比較的急峻（９０°に近付けた角度）としたものである。図中の矢印に示したように、テーパー角θを比較的急峻とした場合、主半導体領域２の外側端面の内面でのシリコン半導体基板１方向への光の反射を抑制でき、活性層１２で発生した光は図中の矢印で示すように、効率的に外部へ出射されるため、発光効率の低下を抑制できる。

図５は、シリコン半導体基板１と主半導体領域２の外側端面とでなすテーパー角θに対する半導体発光装置の輝度を示したグラフである。横軸はテーパー角度の推移であり、縦軸は半導体発光装置の輝度（任意単位：ａ．ｕ．）を示したものである。テーパー角θが６０°から８０°にかけて輝度の値が著しく上昇していることがわかる。

よって、シリコン半導体基板１と主半導体領域２の外側端面とでなすテーパー角θは９０°に近付けるよう形成することが好ましく、具体的には７０°以上とし、さらに好ましくは８０°以上となるように形成する。

なお、上記のような主半導体領域２の外側（外周部）のテーパー角を比較的急峻に形成するには、主半導体領域２形成後のドライエッチングにおいて、エッチングマスクとして使用するレジストの端面をほぼ直角に形成し、その後エッチングを行うことで比較的急峻なテーパー角を形成することができる。また、ドライエッチング時の選択比（前記レジストと主半導体領域２のエッチレート比）を上げることで比較的急峻なテーパー角を形成することができる。

第1の電極（上側電極）３は、光透過性導電膜１９と、ボンディングパッド電極２０と帯状接続導体層２２とから成る。ボンディングパッド電極２０は帯状接続導体層２２を介して光透過性導電膜１９に接続されていると共にショットキー接触金属層１８にも接続されている。従って、ボンディングパッド電極２０は発光ダイオードのアノード機能の他にショットキーバリアダイオードのカソード機能を有する。

光透過性導電膜１９は主半導体領域２の第１の主面１４即ちｐ型半導体層１３の表面のほぼ全部に配置され、ここにオーミック接触している。従って、既に説明したように光透過性導電膜１９は主半導体領域２に電流を均一に流すために寄与し、且つ主半導体領域２から放射された光の取り出しを可能にする。この実施例の光透過性導電膜１９は厚さ１８００オングストローム程度のＩＴＯ（インジウム・錫・オキサイド）から成る。なお、光透過性導電膜１９をＩＴＯ以外のＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ａｕ、Ａｇ等から選択された材料で形成することもできる。しかし、いずれの材料で形成する場合であっても光透過性導電膜１９の光透過性を高めることが必要であり、光透過性導電膜１９をあまり厚く形成することができず、例えば５００〜５０００オングストローム、好ましくは１８００オングストローム程度に形成される。光透過性導電膜１９が薄く形成されると、光透過性導電膜１９のシート抵抗が必然的に高くなり、主半導体領域２のボンディングパッド電極２０から離れた部分に電流を十分に流すことができない。この問題を解決するために帯状接続導体層２２が設けられている。帯状接続導体層２２は、光透過性導電膜１９とボンディングパッド電極２０とを電気的に接続し、主半導体領域２における電流の均一性の向上に寄与する。

絶縁膜１７は、光透過性導電膜１９の大部分、主半導体領域２の光透過性導電膜１９で覆われていない第１の主面１４及び側面、及び凹部９の壁面及び底面の一部を覆っている。

絶縁膜１７は上記機能を得るために光透過性導電膜１９よりも光透過性が良い材料、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ２）、によって光透過性導電膜１９、主半導体領域２、及び半導体基板１の表面を覆うように形成されている。絶縁膜１７は光透過性導電膜１９よりも光透過性が良い材料（ＳｉＯ２）から成るので、この厚みを光透過性導電膜１９よりも厚い例えば１５００〜１００００オングストロームとすることができる。絶縁膜１７はショットキー接触金属層１８が充填された第１の孔１７ａをその中央に有する他に、ボンディングパッド電極２０から光透過性導電膜１９の外周方向に帯状に伸びる複数（４個）の第２の孔１７ｂを有する。帯状の第２の孔１７ｂの一端はボンディングパッド電極２０にできるだけ近いことが望ましく、帯状の第２の孔１７ｂの他端は光透過性導電膜１９の外周縁にできるだけ近いことが望ましい。帯状の第２の孔１７ｂの幅は、帯状接続導体層２２よりも狭く且つ帯状接続導体層２２によるボンディングパッド電極２０と光透過性導電膜１９との電気的接続を確保できる範囲においてできるだけ狭いことが望ましく、例えば２μm〜１０μｍ程度に決定される。なお、ボンディングパッド電極２０と光透過性導電膜１９との電気的接続のための第２の孔１７ｂはボンディングパッド電極２０の下を除いたこれよりも外側に設けられ絶縁膜１７の第２の孔１７ｂを有さない部分がボンディングパッド電極２０と主半導体領域２との間に配置されているので、ボンディングパッド電極２０に基づいて主半導体領域２に発生する応力が絶縁膜１７によって良好に抑制されている。

帯状接続導体層２２は、図１から明らかなように絶縁膜１７の４個の第２の孔１７ｂに対応して４個設けられている。また、各帯状接続導体層２２は絶縁膜１７の上に配置された帯状の被覆部分２４と第２の孔１７ｂの中に配置された充填部分２５とを有する。充填部分２５は光透過性導電膜１９に電気的に接続されている。帯状接続導体層２２は、光透過性導電膜１９よりも抵抗率の低い材料で形成され、且つ光透過性導電膜１９よりも低いシート抵抗率を有する。この実施例では絶縁膜１７の上全体及び第２の孔１７ｂの中にＡｕ（金）を２５００〜１０００００オングストローム程度に蒸着し、その後エッチングによって不用部分を除去することによって帯状接続導体層２２が形成されている。帯状接続導体層２２の充填部分２５はボンディングパッド電極２０から光透過性導電膜１９の外周端近くまで延びているので、光透過性導電膜１９を介して活性層１２を含む主半導体領域２に電流を良好に分散して流すために寄与する。

ショットキー電極として機能するショットキー接触金属層１８は例えばＴｉ、Pt、Cr、Al
、Sm、ＰｔSi、Pd₂Ｓi等から選択された１つ又は複数から成り、絶縁膜１７の第１の孔１
７ａを介してシリコン半導体基板１の凹部９の表面にショットキー接触している。保護素
子としてのショットキーダイオードは半導体基板１の保護素子形成領域７とショットキー
接触金属層１８とによって形成されている。ショットキー接触金属層１８は平面的に見て
ボンディングパッド電極２０の内側に配置されている。従って、保護素子としてのショッ
トキーダイオードを設けることによって半導体基板１及び主半導体領域２の面積の増大が
抑制されている。

ボンディングパッド電極２０は光透過性導電膜１９よりも抵抗率の低い材料（例えば、Ａ
ｕ，Ｎｉ）からなり、ショットキー接触金属層１８及び帯状接続導体層２２に接続されて
いる。

第2の電極（基板電極）４は金属層からなり、半導体基板１の他方の主面６の全面に形
成されている。即ち、第2の電極４は半導体基板１の保護素子形成領域７及び外周側領域
８の両方の下面にオーミック接触している。なお、第2の電極４を図３で点線で示すように半導体基板１の一方の主面５の外周側に配置することもできる。

なお、上記の実施例では、過電圧保護素子を伴った半導体発光装置について説明してきたが、過電圧保護素子を伴わない半導体発光装置や帯状の第２の孔１７ｂ及び帯状接続導体層２２等を設けない構造の半導体発光装置についても適用できることは明らかである。

１ シリコン半導体基板
２ 主半導体領域
３ 第1の電極
４ 第2の電極
７ 保護素子形成領域
１７ 絶縁膜
１７ｂ 第2の孔
１９ 光透過性導電膜
２２ 帯状接続導体層

Claims (3)

1. 一方の主面と他方の主面とを有し且つ導電性を有している基板と、
   光取り出し可能な第１の主面と前記第１の主面に対向し且つ前記基板の前記一方の主面に電気的及び機械的に結合されている第２の主面とを有し且つ光を発生するための複数の半導体層を有している主半導体領域と、
   前記主半導体領域の前記第１の主面の一部を覆っているボンディングパッド電極と、
   前記基板に形成された基板電極と、
   前記主半導体領域の前記一方の主面上に形成された光透過性導電膜と、
   を備え、
   前記基板に対する前記主半導体領域の外周部の端面のテーパー角が７０°〜９０°の範囲であることを特徴とする半導体発光装置。
2. 一方の主面と他方の主面とを有し且つ導電性を有している基板と、
   光取り出し可能な第１の主面と前記第１の主面に対向し且つ前記基板の前記一方の主面に電気的及び機械的に結合されている第２の主面とを有し且つ光を発生するための複数の半導体層を含んでおり且つ前記第１の主面から前記第２の主面に貫通する第1の孔を有している主半導体領域と、
   前記第1の孔を覆い且つ前記主半導体領域の前記第１の主面の一部を覆っているボンディングパッド電極と、
   前記基板に形成された基板電極と、
   前記ボンディングパッド電極と前記基板の他方の主面との間に配置され且つ前記ボンディングパッド電極と前記基板電極との両方に電気的に接続された過電圧保護素子と、
   前記主半導体領域の前記一方の主面上に形成された光透過性導電膜と、
   を備え、
   前記基板に対する前記主半導体領域の外周部の端面のテーパー角が７０°〜９０°の範囲であることを特徴とする過電圧保護素子を伴った半導体発光装置。
3. 一方の主面と他方の主面とを有し且つ導電性を有している基板と、
   光取り出し可能な第１の主面と前記第１の主面に対向し且つ前記基板の前記一方の主面に電気的及び機械的に結合されている第２の主面とを有し且つ光を発生するための複数の半導体層を含んでおり且つ前記第１の主面から前記第２の主面に貫通する第1の孔を有している主半導体領域と、
   前記第1の孔を覆い且つ前記主半導体領域の前記第１の主面の一部を覆っているボンディングパッド電極と、
   前記基板に形成された基板電極と、
   前記ボンディングパッド電極と前記基板の他方の主面との間に配置され且つ前記ボンディングパッド電極と前記基板電極との両方に電気的に接続された過電圧保護素子と、
   前記主半導体領域の前記一方の主面上に形成された光透過性導電膜と、
   前記ボンディングパッド電極と前記主半導体領域の前記一方の主面との間に配置された第１の部分と前記ボンディング電極と前記主半導体領域の前記一方の主面との間から外れており且つ前記第１の部分に連続しており且つ前記光透過性導電膜の少なくとも一部を覆っている第２の部分とを有し、且つ前記第２の部分に前記光透過性導電膜を露出させるための第2の孔が設けられている光透過性絶縁膜と、
   前記絶縁膜の表面の一部を帯状に覆っており且つ前記ボンディングパッド電極に接続されている被覆部分と前記絶縁膜の前記第2の孔の中に充填されており且つ前記被覆部分に連続しており且つ前記光透過性導電膜に接続されている充填部分とを有し、且つ光透過性導電膜よりも抵抗率の小さい導電性材料で形成されている接続導体層と
   を備え、
   前記基板に対する前記主半導体領域の外周部の端面のテーパー角が７０°から９０°の範囲であることを特徴とする過電圧保護素子を伴った半導体発光装置。