JP2014160880A - 半導体発光素子及び半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1、第2の半導体層と、その間に設けられた発光層と、第1の半導体層上に設けられた第1の電極と、第2の半導体層上において第2の半導体層に接し銀または銀合金の少なくともいずれかを含む第1の金属膜と、第2の半導体層上において第2の半導体層に接し第1の金属膜から離間した誘電体膜と、第2の半導体層上において誘電体膜と第1の金属膜との間に露出した第2の半導体層に接し、誘電体膜上において誘電体膜に接し、第2の半導体層との間のコンタクト抵抗が、第1の金属膜と第2の半導体層との間のコンタクト抵抗よりも高い金属からなる第2の金属膜と、を備え、発光層、第1、第2半導体層の側面がテーパ状であり、誘電体膜は前記側面を覆う半導体発光素子が提供される。
【選択図】図1
Description
また、本発明の他の一態様によれば、上記の半導体発光素子と、前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、異なる波長の光を放出する蛍光体と、を備えたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
図1(a)は、本発明の第1実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図であり、図1(b)は、その模式平面図である。
なお、図1(b)に表した具体例おいては、n側電極7は半導体発光素子の一角を占めているが、n側電極7の形状や位置はこれに限定されることはない。
本実施例に係る半導体発光素子は、サファイア基板上に形成された窒化物半導体から構成される。即ち、例えば、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアc面からなる基板10の上に、高炭素濃度の第1AlNバッファ層(炭素濃度3×1018cm-3〜5×1020cm-3)を3nm〜20nm、高純度第2AlNバッファ層(炭素濃度1×1016cm-3〜3×1018cm-3)を2μm、ノンドープGaNバッファー層を3μm、Siドープn型GaNコンタクト層(Si濃度1×1018cm-3〜5×1018cm-3)を4μm、Siドープn型Al0.10Ga0.90Nクラッド層(Si濃度1×1018cm−3)を0.02μm、Siドープn型Al0.11Ga0.89Nバリア層(Si濃度1.1〜1.5×1019cm−3)とGaInN発光層(波長380nm)とが交互に3周期積層されてなる多重量子井戸構造の発光層を0.075μm、多重量子井戸の最終Al0.11Ga0.89Nバリア層(Si濃度1.1〜1.5×1019cm−3)を0.01μm、Siドープn型Al0.11Ga0.89N層(Si濃度0.8〜1.0×1019cm−3)を0.01μm、ノンドープAl0.11Ga0.89Nスペーサ層を0.02μm、Mgドープp型Al0.28Ga0.72Nクラッド層(Mg濃度1×1019cm−3)を0.02μm、Mgドープp型GaNコンタクト層(Mg濃度1×1019cm−3)を0.1μm、高濃度Mgドープp型GaNコンタクト層(Mg濃度2×1020cm−3を0.02μmの厚みで、それぞれ順次積層した構造を採用することができる。
この具体例の場合、Siドープn型GaNコンタクト層がn型半導体層1に対応し、Mgドープp型GaNコンタクト層がp型半導体層2に対応する。
これらのバッファ層を採用することで、従来の低温成長AlNバッファ層と比較して欠陥を約1/10に低減することができた。この技術によって、紫外帯域発光でありながらも高効率な半導体発光素子を作ることができる。
図1(a)に示したとおり、p型半導体層2の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いてドライエッチングによってp型半導体層2と発光層3を取り除く。その後、露出したn型半導体層1を含む半導体層全体に、熱CVD装置を用いて誘電体膜8として、例えばSiO2膜を400nm積層する。
次いで、劈開若しくはダイヤモンドブレード等により切断し個別の半導体発光素子とする。
誘電体膜8の材料には、Si、Al、Zr、Ti、Nb等の酸化物、窒化物又は酸窒化物を用いることができる。さらに、誘電体膜8は2層以上から構成されていてもよい。積層する誘電体膜の総膜厚は、絶縁性確保の観点からは50nm以上が好ましく、また、誘電体膜のクラック発生を抑制する観点からは1000nm以下とすることが望ましい。誘電体膜8と第1金属膜5とが接触せずに離れているため、第1金属膜5への影響を考慮せずに、製造コスト、製造工程、半導体発光素子の特性などに対して最適な誘電体膜の種類や成膜方法を自由に選択することができる。
以下、比較例に係る半導体発光素子の構造と製造方法について説明する。図1に示す半導体発光素子と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
第2金属膜6は、第1金属膜5上のみに設けられ、第1金属膜5と誘電体膜8の間の露出したp型コンタクト層領域及び誘電体膜8を被覆していない。
n側電極の形成は、図1に関して前述したものと同様の方法で行うことができる。
ここで、試料(1)は比較例に係る半導体発光素子を表し、試料(2)は本実施例に係る半導体発光素子を表す。横軸は測定時期を表し、「作製後」とは、半導体発光素子を作製した後すぐに評価した場合で、「2週間後」とは、クリーンルーム等ではない通常の雰囲気に2週間放置した後に評価した場合である。本実施例によれば、2週間経過しても逆方向バイアス電流はほとんど変化しない。しかし、比較例によれば、2週間経過後には逆方向バイアス電流が大幅に増加し、半導体発光素子が劣化していることが分かる。
図4及び図5は、それぞれ本実施例と比較例における50mA通電に制御(ACC:Automatic Current Control)された半導体発光素子の放射束の変化率を表したグラフ図である。いずれも、周囲温度Ta=25℃、サンプル数を8個とした。時間経過と共に、50mA注入時の放射束は徐々に減少する。本実施例の場合、1000時間経過時の単位時間当たりの放射束減少率 (mW/h)は、10%よりも少ない。比較例においては、単位時間当たりの放射束減少率が大きく、600時間経過後で20%から45%に達している。すなわち、比較例における単位時間当たりの放射束減少率は、本実施例の約3乃至5倍である。
図1に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施例においては、発光層3を挟む半導体層断面がテーパを有し、それに伴い、誘電体層8がテーパ部分を斜めに被覆している。第2金属膜6は、誘電体層8の第1金属膜5側端部までを被覆している。テーパを設けることにより、段差による膜切れを抑制することが可能となる。窒化物半導体層とサファイア基板の屈折率差は大きく、発光した光の一部はその界面で反射されて半導体層に戻される。この反射された光は第1金属膜5と前記界面の間で反射を繰り返し、半導体層内に閉じ込められる。これに対して、本実施例のようにテーパを設けることにより、光の反射角を変えることができるため、光を基板側へ取り出せる確率を上げることができ、光取り出し効率が改善される。
図1に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
発光層3を含む半導体層にテーパを設けた場合、第2金属膜6が誘電体膜8を被覆する範囲を広くすることが可能である。第2金属膜6は、誘電体膜8のn側電極7側端部までを被覆している。
この構造により電界緩和に効果があるが、他に、第2金属膜6の斜め領域による光の反射効果が期待できる。
本実施例においては、第2金属膜6に覆われる領域の誘電体膜8の膜厚が、第2金属膜6に覆われない領域の誘電体膜8の膜厚よりも薄い点が第1の実施例と異なる。
p側電極4を形成するため、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上のSiO2膜をフッ化アンモン処理で取り除く。その際、後述するAgとSiO2膜の間に、p型コンタクト層が露出するよう、フッ化アンモンの処理時間を調整する。SiO2膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて第1金属膜5となるAgを200nmの膜厚で形成し、350℃の窒素雰囲気で1分間シンター処理を行う。
図9は、本発明の第5実施例に係る半導体発光素子の構造を示す模式断面図である。
図1における半導体発光素子100に、Pt/Auが形成された領域、すなわち第2金属膜6の一部または全部を被覆するように、Auを2000nmの膜厚で形成し、パッド45を形成する。これによって、ボンダビリティが向上するほか、半導体発光素子の放熱性の改善も期待できる。また、このパッド45を金バンプとして使用することもできるし、Auの代わりにAuSnバンプを形成することもできる。n側電極7の上に形成するパッド上に同時に形成することもできる。
図10は、第6実施例に係る半導体発光素子の模式断面図である。
図1に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。本実施例が図1に表したものと異なる点は、第1金属膜5と第2金属膜6との間に第3金属膜9を追加した点である。
その後、第3金属膜9として、例えばW/Pt積層膜を6層分だけ積層する。(W/Pt)×6層全体の厚さは、900nmとし、p側電極04を形成する。
図1に関して前述した実施例と異なる点は、図1における半導体発光素子100の第1金属膜5をAgからAg/Ptに変更した点である。
図1に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図1、図11に関して前述した実施例と異なる点は、拡散防止層として第4金属膜95を、p側電極4、第3金属膜9と別に形成する点である。
図1、図11に関して前述したものと同様の構成要素に関しては、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
半導体発光素子100の外部からp側電極4へ注入され、半導体層を通ってn側電極7まで流れてきた電流を、半導体素子の外部へ取り出すためのn側電極領域は、半導体発光素子と外部端子との接触の関係上、広く設計することが望ましい。ただし、その配置や形状は特定の形に限定されることはなく、高発光効率が得られるよう自由に設計することが可能である。
本変形例においては、p側電極4とn側電極7とが、くし型に入れ込んだ構造となっている。
本発明の半導体発光装置は、第1の実施例における図1の半導体発光素子100に蛍光体を組み合わせた白色LEDである。
次に、本実施例にかかる半導体発光装置の製造方法について説明する。
図14の半導体発光素子100を作製する工程は、第1実施例の工程と同様である。まず、容器22の内面に反射膜23となる金属膜を、例えばスパッタリング法により形成し、この金属膜をパターニングして容器22の内側面と底面にそれぞれ反射膜23を残す。次に、第1実施例で作製された半導体発光素子100にボールボンダによって金バンプ25を形成し、p側電極4用とn側電極7用にパターニングされた電極を持つサブマウント24上に固定し、このサブマウント24を容器22の底面の反射膜23上に設置して固定する。これらの固定には接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。また、ボールボンダによる金バンプ25を用いずに半導体発光素子100をサブマウント24上に直接固定することもできる。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、BxInyAlzGa1−x−y−zN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z≦1)なる化学式において組成比x,y及びzをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
次に、本実施例にかかる半導体発光装置の製造方法について説明する。
図14の半導体発光素子100を作製する工程は、第1実施例の工程と同様である。まず、容器22の内面に反射膜23となる金属膜を、例えばスパッタリング法により形成し、この金属膜をパターニングして容器22の内側面と底面にそれぞれ反射膜23を残す。次に、第1実施例で作製された半導体発光素子100にボールボンダによって金バンプ25を形成し、p側電極4用とn側電極7用にパターニングされた電極を持つサブマウント24上に固定し、このサブマウント24を容器22の底面の反射膜23上に設置して固定する。これらの固定には接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。また、ボールボンダによる金バンプ25を用いずに半導体発光素子100をサブマウント24上に直接固定することもできる。
Claims (12)
- 第1の半導体層と、
第2の半導体層と、
前記第1の半導体層と第2の半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第1の半導体層の上に設けられた第1の電極と、
前記第2の半導体層の上において前記第2の半導体層に接し銀または銀合金の少なくともいずれかを含む第1の金属膜と、
前記第2の半導体層の上において前記第2の半導体層に接し前記第1の金属膜から離間した誘電体膜と、
前記第1の金属膜の上において前記第1の金属膜に接し、前記第2の半導体層上において前記誘電体膜と前記第1の金属膜との間に露出した前記第2の半導体層に接し、前記誘電体膜の上において前記誘電体膜に接し、前記第2の半導体層との間のコンタクト抵抗が、前記第1の金属膜と前記第2の半導体層との間のコンタクト抵抗よりも高い金属からなる第2の金属膜と、
を備え、
前記発光層、前記第1半導体層及び前記第2半導体層の側面がテーパ状であり、
前記誘電体膜は、前記発光層、前記第1半導体層及び前記第2半導体層の前記テーパ状の側面を覆うことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第2の金属膜は、銀のマイグレーションを抑える膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記第2の金属膜は白金を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の金属膜は、前記誘電体膜の前記第1の電極側の端部までを被覆することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体膜は、Si、Al、Zr、Ti及びNbの少なくともいずれかの酸化物、Si、Al、Zr、Ti及びNbの少なくともいずれかの窒化物、並びに、Si、Al、Zr、Ti及びNbの少なくともいずれかの酸窒化物の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1の金属膜のうちで前記第2の金属膜と接する部分は、前記第1の金属膜の前記第1の電極の側の部分を含む請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2の金属膜は、前記テーパ状の側面を覆う前記誘電体膜の上に延在することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2の金属膜で被覆された領域の前記誘電体膜の膜厚は、前記第2の半導体層の上において前記第2の金属膜で被覆されていない領域の前記誘電体膜の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1の金属膜と前記第2の金属膜との間に設けられた第3の金属膜をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1の金属膜の前記第1の電極の側の一部を除く前記第1の金属膜の上に設けられた第4の金属膜をさらに備え、
前記第1の金属膜は、前記第2の半導体層の上に設けられたAg膜を含み、
前記第4の金属膜は、前記第1の金属膜の上に設けられたPt膜を含み、
前記第2の金属膜は、前記誘電体膜と前記第1の金属膜との間に露出した前記第2の半導体層の表面と、前記第1の金属膜と、前記誘電体膜と、の上に設けられたTi膜を含む請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1の金属膜は、前記第1の金属膜の前記Ag膜の上に設けられたPt膜をさらに含み、
前記第4の金属膜は、前記第4の金属膜の前記Pt膜の上に設けられたAu膜をさらに含み、
前記第2の金属膜は、前記第2の金属膜の前記Ti膜の上に設けられたPt膜と、前記第2の金属膜のPt膜の上に設けられたAu膜と、をさらに含む請求項10記載の半導体発光素子。 - 請求項1〜11のいずれか1つに記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、異なる波長の光を放出する蛍光体と、
を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
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