JP2013187209A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】順方向電圧を減少することができ、かつ発光効率を向上することができる半導体発光装置を提供する。
【解決手段】 平面視において略矩形からなる導電性を有する基板と、前記基板の一方の主面上に配設された第１の導電型の第１の半導体層、この第１の半導体層上に配設された前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層を有する主半導体領域と、前記第１の半導体層と前記基板の一方の主面との間を電気的に接続する短絡電極と、を備え、前記短絡電極は、前記基板の角部において、前記角部を形成する２辺に沿って形成される２本の細線部を有する略Ｌ字状に形成され、前記細線部が、前記第１の半導体層の側面を経由し、前記第１の半導体層の上面をその外周辺に沿って延伸するよう形成されることで、前記第１の半導体層と前記基板の一方の主面との間を電気的に接続することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、特に導電性基板上に半導体発光機能層を有する半導体発光装置に関する。

半導体発光装置として例えば半導体発光ダイオードの需要が高まっている。特に、窒化物系半導体を発光機能層とする半導体発光ダイオードにおいては紫外〜緑色の波長の光を出力することができる。

図５は、特許文献１に記載されている従来の発光素子構造を示す。３１はｎ型半導体層である。対角線上にワイヤーボンドするためのｐ電極３３とｎ電極３２を配置し、ｎ電極３２には周縁電極３５を接続し、ｐ電極３３には透明電極３４を接続している。周縁電極３５は、四角い発光素子の外周縁に設けられ、透明電極３４は、この周縁電極３５の内側に配設されている窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が開示されている。

従来の発光素子において、窒化物半導体発光素子を構成する基板として最も多く利用されているサファイア基板などの絶縁性基板では、半導体層にｎ側電極およびｐ側電極の２種類の電極を形成する片面電極構造をとる必要がある。
そのため、２つの電極を基板の片面側（表面側）に配設すると、両面に１つずつ電極を配設するのに比べて、素子の形成面積が約２倍になり、半導体装置の小型化の妨げとなっていた。
また、上記の発光素子においては、活性層から発生した光は素子内部で基板側にも放射され、基板で反射した後に素子外部へと放射されていく。しかしながら、上記従来の技術の発光素子においては、ｐ型電極と同一面側の周囲にｎ型電極が形成されているため、基板側から反射された光は素子外部に放射される際に前記ｎ型電極により遮られることになる。このため、発光素子から放射される全光出力を低下させているという問題がある。

一方、近年においては、半導体発光ダイオードの基板に導電性基板を採用し、この導電性基板の表面上に窒化物系半導体からなる発光機能層を成膜する成膜技術の開発が進められている。導電性基板の採用は、半導体発光素子の両面に電極を作製して電流を上下に導通させる両面電極タイプの窒化物半導体発光素子とすることが可能であり、半導体デバイスの主面の大部分を発光面とすることができる。そのため、素子設計の自由度が増すばかりか、価格の比較的安い基板材料を使用することができ、既存のシリコン半導体製造プロセスを利用することができるので、有利である。導電性基板には、珪素（Ｓｉ）基板、炭化珪素（ＳｉＣ）基板等が使用されている。

ところが、導電性基板の表面上に窒化物系半導体を形成し、結晶性の良い発光機能層を得ることが難しい。例えば、導電性基板の表面と発光機能層との界面又は発光機能層の初期層付近に電気抵抗の高い層が発生する。このような電気抵抗の高い層が発生した場合、半導体発光ダイオードの順方向電圧が増大し、半導体発光ダイオードの発光効率の低下、発熱の増加、寿命の低下が生じる。

下記特許文献２には、炭化珪素基板とその表面上に電気抵抗の高い層を介在して形成された発光機能層との間を金属短絡電極により電気的に接続し、この金属短絡電極を用いて電気抵抗の高い層をバイパスする半導体発光ダイオードが開示されている。この半導体発光ダイオードにおいては、上記順方向電圧の増大を抑制することができる。

しかしながら、上記特許文献２に開示されている半導体発光ダイオードにおいては、以
下の点について配慮がなされていなかった。上記半導体発光ダイオードに採用された金属
短絡電極は発光機能層の側面に形成されている。半導体発光ダイオードにおいては、発光
機能層の上面から光が出力されるとともに、発光機能層の側面からも光が出力される。こ
のため、発光機能層の側面から出力される光が金属短絡電極により遮蔽され、この発光機
能層の側面から出力される光を有効に利用することができないので、半導体発光ダイオー
ドの発光効率が低下する。

特許第３２４４０１０号公報 特許第２７４１７０５号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。従って、本発明は、主として上下より電極を取り出せる構造を有する窒化物半導体素子において、導電性基板とその表面上に配設された半導体発光機能層との間の順方向電圧を低下させることができ、かつ発光効率を向上することができる半導体発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、
平面視において略矩形からなる導電性を有する基板と、前記基板の一方の主面上に配設された第１の導電型の第１の半導体層、この第１の半導体層上に配設された前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層を有する主半導体領域と、前記主半導体領域上に設けられる第１の電極と、前記基板の他方の主面上に形成される第２の電極と、前記第１の半導体層と前記基板の一方の主面との間を電気的に接続する短絡電極と、を備え、前記短絡電極は、前記基板の角部において、前記角部を形成する２辺に沿って形成される２本の細線部を有する略Ｌ字状に形成され、前記細線部が、前記第１の半導体層の側面を経由し、前記第１の半導体層の上面をその外周辺に沿って延伸するよう形成されることで、前記第１の半導体層と前記基板の一方の主面との間を電気的に接続することを特徴とする。

順方向電圧を低下させることができ、かつ発光効率を向上するとともに、発熱を抑え、信頼性を向上させた半導体発光装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の断面図（図１に示すＡ−Ａ切断線で切った断面図）である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の断面図（図１に示すＢ−Ｂ切断線で切った断面図）である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置において、外周部に形成される段差の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。 従来の半導体発光装置の平面図である。

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１乃至図３に、本発明の実施形態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の複合半導体装置を示す。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置は、半導体基板１と、半導体基板１の一方の主面５上に配設された第１の導電型の第１の半導体層（ｎ型半導体層）１１、この第１の半導体層１１上に活性層１２を介して配設された第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層（ｐ型半導体層）１３を有する主半導体領域２とを備え、第１の半導体層１１と半導体基板１の一方の主面との間を電気的に接続する短絡電極５０とを備える。また、主半導体領域２上には光透過性導電膜１９が形成され、それを保護膜１７が覆うようにして形成される。保護膜１７の上には第1の電極（上側電極）３が設けられ、前記保護膜１７を介して光透過性導電膜１９と接続される。第1の電極（上側電極）３の一部は、半導体基板１の一方の主面５上の一部に形成される保護素子形成領域７へと延伸し接続される。半導体基板１の他方の主面６には、第2の電極（基板電極）４が形成される。

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とを有し且つ保護素子形成領域７を有している。保護素子形成領域７は、図１に示される通り、略矩形からなる半導体基板１の角部の1か所に形成される（図１中、左上の角部）。なお、ここでは、図２に示すようにｐ型単結晶シリコンからなる基板１の一方の主面５の一部に導電型決定用不純物としてリン等の5族元素を含むｎ型層８を配置することで保護素子形成領域７を形成している。
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。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、半導体基板１の導電型をｎ型にすることもできる。

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から活性層１２を省くことができる。また、必要に応じてバッファ層や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は、図１に示した通り、平面視において半導体基板１と同様に略矩形に形成されるが、保護素子形成領域７及び短絡電極５０が形成される角部においては、角が切り落とされた形状となっている。これは、半導体基板上に保護素子を形成する領域及び短絡電極５０を形成する領域を確保するためでもあるが、このように形成することで、角部における光の取り出し効率が向上するからである。そのため、ここでは図示しないが、半導体基板１の４つ全ての角部において、角が切り落とされた形状とする多角形の環状や、角を曲線とするようにして、主半導体領域２を形成することも出来る。

図１に示す通り、保護素子形成領域７が形成される半導体基板１の一方の角部と対角線上に位置する他方の角部には、半導体基板１の角部を形成する２辺に沿うように、平面視から見て略L字状に短絡電極５０が形成される。この短絡電極５０は、図１に示すように、略矩形からなる半導体基板１の２辺方向に延伸する細線部５０ａと、２つの細線部５０ａが交わる三角形部５０ｂにより構成され、細線部５０ａの幅は、おおよそ５０μｍ程度としている。

図２及び図３に示すように、短絡電極５０は、ｎ型半導体層１１と半導体基板１の一方の主面５との間を電気的に短絡する。ここで、短絡電極５０のうち、三角形部５０ｂは、半導体基板１の一方の主面５と接するのみである。一方、細線部５０ａは、ｎ型半導体層１１の側面を這い上がり、ｎ型半導体層１１の上面をその外周辺に沿って延伸する。このように、細線部５０ａがｎ型半導体層１１の上面をその外周辺に沿って延伸することで、主半導体領域２の主面状に電流が均一に拡がるため、効率よく面内に均一な発光を得ることができる。

短絡電極５０は、ｎ型半導体層１１の側面を覆うように形成されるため、ｎ型半導体層１１の側面が覆われる面積が大きくなると、主半導体領域２からの発行が遮光されてしまい、発光効率が低下する。また、短絡電極５０は保護膜１７で覆うことで信頼性を確保しているが、ｎ型半導体層１１の側面部分は保護膜１７形成時のカバレッジの問題で保護性能が得られ難い場所となる。そのため、ｎ型半導体層１１の側面部分に形成される短絡電極５０の面積が大きくなると、信頼性が低下してしまう。そのため、ｎ型半導体層１１の側面部分に形成される短絡電極５０は、電流経路を確保できる範囲内で、出来る限り面積を小さくすることが好ましく、細線部５０ａによって短絡されている。

一方で、短絡電極５０は、半導体基板１の一方の主面５と接続されるため、当該接続部分の面積をあまり小さくし過ぎると、接続に対する信頼性が低下し、好ましいとはいえない。例えば、短絡電極５０を細線部５０ａのみでＬ字状に形成することも可能ではあるが、そうした場合、短絡電極５０と半導体基板１の一方の主面５との接続面積が小さくなる。そのため、短絡電極５０と半導体基板１の一方の主面５との接続面積を十分に確保する必要性から、短絡電極５０に一定の面積を有する三角形部５０ｂを設け、この部分を半導体基板１の一方の主面５と接続させることで、信頼性を向上させている。

短絡電極５０は、ｎ型半導体層１１から半導体基板１にこれら双方の間の界面を通して至る電流経路の比抵抗値に対して、小さい比抵抗値を有する材料により構成されている。具体的には、短絡電極５０には例えばＡｌ層を含む金属層（以下、Ａｌ層）を使用することができ、このＡｌ層の膜厚は１００ｎｍ−２００ｎｍに設定されている。
また、好ましくは、第１の金属層上に第２の金属層を積層した複合膜とすることができ、第１の金属層としては、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｉｎ又はこれらの合金を含み、第２の金属層としては、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ又はこれらの合金を含むことが好ましい。このような構造とすることで、シリコンからなる半導体基板１とｎ型半導体層１１の両方で良好なオ―ミック接触が得られるとともに、その上に形成される絶縁膜１７の絶縁性能も向上する。
また、例えばニッケル（Ｎｉ）を含む金属層上にＡｌ層を積層した複合膜とし、さらにＡｌ層の上に、Ａｌ層の形状よりも大きな形状で、Ａｌ層をすべて覆うことができる金（Ａｕ）を含む金属層を形成するなど、３層以上の積層構造とすることもでき、このような構造とすることで、Ａｌ層の腐食が抑制され、信頼性の良好な発光素子が製造できる。

このような短絡電極５０を備えることで、半導体基板１の表面とｎ型半導体層１１との界面及びこの付近に電気抵抗の高い層が発生しても、半導体装置の順方向電圧が増大するのを抑制できる。

この短絡電極５０のうち、細線部５０ａは、ｎ型半導体層１１の側面の一部と半導体基板１の一方の主面５を覆うように形成される。図３に示すように、半導体基板１の一方の主面５上にはｎ型半導体層１１が形成されるが、半導体基板１の一方の主面５上の外周付近においては段差が形成されている。この半導体基板１の一方の主面５とｎ型半導体層１１の側面によって生じる段差によって形成される角度θ１が直角に近付くほど、この段差部分に沿って形成される細線部５０ａは断線する危険性が高くなる。当該角度θ１が60°以上になると細線部５０ａの断線する危険性が急激に高くなる。
そのため、細線部５０ａが形成される箇所においては、半導体基板１の一方の主面５に対し、ｎ型半導体層１１の側面が緩やかな角度となるように、ｎ型半導体層１１を形成することが好ましい。

一方で、細線部５０ａが形成されない箇所においては、半導体基板１の一方の主面５とｎ型半導体層１１の側面によって生じる段差によって形成される角度θ１を急峻とすることが好ましい。図４は、この角度θ１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θ１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、半導体基板１の一方の主面５とｎ型半導体層１１の側面によって生じる段差によって形成される角度θ１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。

テーパー角θ１が比較的緩やかな場合、活性層１２で発生した光は主半導体領域２の外周端面まで進むと、主半導体領域２の外周端面の内面で、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。
一方、前記テーパー角θ１を比較的急峻（９０°に近付けた角度）とした場合、主半導体領域２の外周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。

なお、上記のような半導体基板１の一方の主面５とｎ型半導体層１１の側面によって生じる段差によって形成される角度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、ボンディングパッド電極部２０と保護素子形成領域へ延伸する帯状接続導体層２２とからなる。ボンディングパッド電極部２０は、略正方形に形成される基板１の短絡電極５０が設けられた角部と対角線上の角部近傍に形成することが好ましい。この様な構造とすることで、主半導体領域２の主面状に電流が均一に拡がるため、効率よく面内に均一な発光をさせることができる。ボンディングパッド電極部２０は、絶縁層１７を介して光透過性導電膜１９に接続されている。また、帯状接続導体層２２は、半導体基板１の一方の主面５の一部に形成される保護素子形成領域７のｎ型層８と接続されている。従って、第1の電極（上側電極）３は発光ダイオードのアノード機能の他に過電圧保護素子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、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。

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、短絡電極５０、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。

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。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者は様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
既に述べた実施形態の説明においては、過電圧保護素子を備える発光装置を例示的に示したが、保護素子形成領域を有さない半導体発光装置にも適用できることは明らかである。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

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
８、１１ ｎ型半導体層
１２ 活性層
１３ ｐ型半導体層
１７ 絶縁膜
１９ 光透過性導電膜
２０ ボンディングパッド電極部
２２ 帯状接続導体層
５０ 短絡電極
５０ａ 細線部
５０ｂ 三角形部

Claims (8)

1. 平面視において略矩形からなる導電性を有する基板と、
   前記基板の一方の主面上に配設された第１の導電型の第１の半導体層、この第１の半導体層上に配設された前記第１の導電型とは逆の第２の導電型の第２の半導体層を有する主半導体領域と、
   前記主半導体領域上に形成される第１の電極と
   前記基板の他方の主面上に形成される第２の電極と
   前記第１の半導体層と前記基板の一方の主面との間を電気的に接続する短絡電極と、
   を備え、
   前記短絡電極は、前記基板の角部において、前記角部を形成する２辺に沿って形成される２本の細線部を有する略Ｌ字状に形成され、
   前記細線部が、前記第１の半導体層の側面を経由し、前記第１の半導体層の上面をその外周辺に沿って延伸するよう形成されることで、前記第１の半導体層と前記基板の一方の主面との間を電気的に接続することを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記短絡電極が形成される前記基板の角部と対角上に対向する角部との対角線上に前記第１の電極が形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記短絡電極が形成される前記基板の角部と対角上に対向する角部に前記第１の電極が形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
4. 前記基板の外周部には、前記基板の一方の主面と前記第１の半導体層の側面とで段差が形成され、前記細線部が形成されない領域における前記段差の角度が、前記細線部が形成される領域における段差の角度よりも急峻に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
5. 前記細線部が形成される領域における前記段差の角度が６０°以下の緩やかな角度で形成されている部分を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
6. 前記細線部が形成されない領域における前記段差の角度が７０°以上の急峻な角度で形成されている部分を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
7. 前記短絡電極は、前記基板の一方の主面に接する側である第1の金属層とその上に形成される第2の金属層の少なくとも2層以上の金属層により形成され、前記第1の金属層にはＮｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｉｎから選択される金属またはこれらの合金を含み、前記第2の金属層にはＡｌ、Ａｕ、Ｐｔから選択される金属またはこれらの合金が含まれていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
8. 前記短絡電極の最上層がＡｕまたはＡｕを含む合金によって前記金属層が覆われていることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光装置。
   
   

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