JP2014236038A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光素子内部における多重反射を極小化し、活性層における光吸収を極小化し、発光効率を高める発光素子を提供する。【解決手段】支持基板１３０と、反射層部と、第一導電型の第一半導体層１０４、活性層１０５、第二導電型の第二半導体層１０６から形成された発光部１０８とを有し、発光部の第一半導体層側に光取り出し面である第一の面１６１を有し、支持基板の裏面側が第二の面１６２となる発光素子であって、発光部は、第一の面と平行に活性層より下層に設けられた第三の面１６３と、第三の面と第一の面とをつなぐ傾斜した第四の面１６４とを有するものであり、第一の面、第三の面、第四の面上の一部を被覆する絶縁誘電体層１６５と、更に第一の面上に形成された細線状の表面電極１６７と第三の面上に形成されたボンディングパッド１６８とが電気的に接続されたものである第一電極部１７１と、第二の面上に形成された第二電極部１７２とを有する。【選択図】図１
Description
本発明は、化合物半導体発光素子に係わり、第一半導体層、活性層、第二半導体層、反射層、支持基板を有する発光素子に関する。
近年、照明機器においてはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の採用が進んでいる。ＬＥＤは点光源になるため、単一のＬＥＤでは面照射にすることが難しく、多数のＬＥＤを組み込まなければ、面照射になる明るい照明を実現することができない。しかし、多数のＬＥＤを照明に組み込むと材料費が上がり、システムとしては高価になるため、ＬＥＤを組み込む個数を減らすことが求められる。
発光素子１個あたりの出力を高めることができれば、システムに搭載するＬＥＤの個数を減らすことができる。また、発光素子のチップの大きさが大きくなると、チップ１個当たりの価格が高価になるため、チップを小型化することが求められる。
その一方で、チップにはワイヤーボンディングや配線のため、金属被覆部を設ける必要があり、金属被覆部からの光取り出しは一般には不可能である。故に、チップの小型化に伴って相対的に被覆部の面積が増大するため、高輝度化が設計上難しくなる。従って、チップを小型化し、かつ、高輝度のチップを実現するためには、光取り出しができない領域で発光を起こさせず、かつ、非発光領域の吸収を抑える事が必要である。
発光素子の光取り出し面のうち、大きな面積を占めるボンディングパッドを光らせない方法として、例えば特許文献１にはボンディングパッド周辺にボンディングパッドと極性の異なる電極を配置しない方法が開示されている。この方法では、ボンディングパッド近傍の活性層に電流が流入せず発光しないので、ボンディング下部で発光することによって光取り出しができない状態を避ける事ができる。しかし、活性層から発した光は等方的に放射されるため、ボンディングパッドに入射した光はボンディングパッドと半導体界面部のオーミックコンタクトで吸収され、輝度が低下する。
一方、特許文献２には、ボンディングパッド下部に多層反射層（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ． Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を設けて、活性層から等方的に放射されてボンディングパッドに入射した光を下部反射層側へ返して反射させる方法が開示されている。しかし、この方法ではボンディングパッド下部に入射した光は活性層下部の反射層で反射されるために、一度活性層に入射し、反射層で反射した後、光取り出し面より放射されるため、再度活性層に入射する必要がある。活性層で発する波長の光に対して、活性層で吸収させる光の吸収係数は１であり、膜厚に従って吸収率が決まる。活性層の厚さを薄くすることで減ずる事はできるが、設計上、反射するために原理的に最低限２回、活性層を通過する必要があるため、光吸収はゼロに出来ない。また、上部反射面と下部反射面の間に空間があることで、多重反射が生じる。この場合、活性層を横切る回数は２の倍数で増加するため、光吸収はより多く発生する。従って、光吸収を抑制するための最適な方法とはいえない。
また、特許文献３には、ボンディングパッド部の下部の活性層を除いた方法が開示されている。この方法ではボンディングパッド下部領域における光吸収を抑制する事ができる。しかしながら、この方法では、活性層の除去部分と活性層の成す角が直交しており、活性層から発した光は除去界面で活性層側へ反射される。活性層内を光が直進するため、除去方向に入射した光の大半が吸収される、結局は輝度が上昇せず、特許文献１及び２と同様の効果しか得られないという問題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、発光素子内部における多重反射を極小化し、活性層における光吸収を極小化し、発光効率を高めることができる発光素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、支持基板と、該支持基板より上の反射層部と、該反射層部より上の発光部とを有し、該発光部は、第一導電型の第一半導体層、活性層、第二導電型の第二半導体層から形成されたものであり、前記発光部の第一半導体層側に光取り出し面である第一の面を有し、前記支持基板の裏面側が第二の面となる発光素子であって、前記発光部は、前記第一の面と平行に前記活性層より下層に設けられた第三の面と、該第三の面と前記第一の面とをつなぐ傾斜した第四の面とを有するものであり、前記第一の面、前記第三の面、前記第四の面上の一部を被覆する絶縁誘電体層と、更に前記第一の面上に形成された細線状の表面電極と前記第三の面上に形成されたボンディングパッドとが電気的に接続されたものである第一電極部と、前記第二の面上に形成された第二電極部とを有するものであることを特徴とする発光素子を提供する。
このように、光取り出し面である第一の面と平行に活性層より下層に設けられた第三の面と第一の面とをつなぐ第四の面が傾斜していることにより、活性層から発した光は、傾斜した第四の面により側面へ反射されるため、ボンディングパッドの下部領域における光吸収を抑制する事ができ、発光素子の輝度を高めることができる。
また、本発明において、前記第四の面はウエットエッチング法で形成されたものであることが好ましい。
このように、ウエットエッチング法を用いることで、容易に第四の面が得られ、コストが抑制された発光素子とすることができる。
このように、ウエットエッチング法を用いることで、容易に第四の面が得られ、コストが抑制された発光素子とすることができる。
さらに、本発明において、絶縁誘電体層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮのうちのいずれかからなるものであることが好ましい。
このような絶縁誘電体層であれば、簡単に且つ良好な絶縁性を得ることができる。
このような絶縁誘電体層であれば、簡単に且つ良好な絶縁性を得ることができる。
また、本発明において、前記第一半導体層、前記活性層、前記第二半導体層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）で構成されるものであるか、前記第一半導体層、前記活性層、前記第二半導体層は、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）で構成されるものであるか、前記第一半導体層、前記第二半導体層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）、前記活性層は、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）で構成されるものであることが好ましい。
上記のように第一半導体層、活性層、第二半導体層を構成することで、良好な発光部を構成することができる。
上記のように第一半導体層、活性層、第二半導体層を構成することで、良好な発光部を構成することができる。
一方、本発明は、前記支持基板は、半導体又は金属からなる導電性の基板であり、前記反射層部は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔのうちいずれか１つ以上を含む金属からなるものであり、且つ、前記反射層部は、前記発光部で発生する光に対する反射率が５０％以上であることが好ましい。
このように支持基板、反射層部を構成することで、より発光効率を高めることができる
このように支持基板、反射層部を構成することで、より発光効率を高めることができる
また本発明は、前記発光素子のチップの１辺は１２７μｍ以上２５４μｍ以下であることが好ましい。
この大きさの範囲の発光素子のチップであれば、よりいっそう発光素子の輝度を高めることができるという効果が顕著に現れるため、発光素子の小型化、及び発光輝度の向上を実現でき、且つコストを抑制できる発光素子となる。
この大きさの範囲の発光素子のチップであれば、よりいっそう発光素子の輝度を高めることができるという効果が顕著に現れるため、発光素子の小型化、及び発光輝度の向上を実現でき、且つコストを抑制できる発光素子となる。
以上のように、本発明によれば、活性層から発した光は、傾斜した第四の面により側面へ反射され、ボンディングパッドの下部領域における光吸収を抑制する事ができるため、発光素子内部における多重反射を極小化し、活性層における光吸収を極小化し、発光効率を高めることができ、特に小さい発光素子チップに対してより効果が顕著に現れる発光素子を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながらより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、図１を参照しながら、本発明の発光素子の第１実施形態について以下説明する。
図１に示すように、本発明の発光素子１００は、支持基板１３０、第二接合金属層１３１、反射層部を構成する第一接合金属層１１４、誘電体膜１１１、誘電体膜を一部除去して形成した領域にオーミックコンタクト用のオーミック金属層１１３、発光部１０８を構成する第二導電型の第二半導体層１０６、活性層１０５、第一導電型の第一半導体層１０４が順次積層されたものである。
図１に示すように、本発明の発光素子１００は、支持基板１３０、第二接合金属層１３１、反射層部を構成する第一接合金属層１１４、誘電体膜１１１、誘電体膜を一部除去して形成した領域にオーミックコンタクト用のオーミック金属層１１３、発光部１０８を構成する第二導電型の第二半導体層１０６、活性層１０５、第一導電型の第一半導体層１０４が順次積層されたものである。
また、発光素子１００は、発光部１０８の第一半導体層側に光取り出し面である第一の面１６１と、支持基板の裏面側に第二の面１６２とを有し、発光部内に、第一の面１６１と平行に活性層１０５より下層すなわち、第二半導体層１０６と同じ高さ位置に設けられた第三の面１６３と、該第三の面１６３と第一の面１６１とをつなぐ傾斜した第四の面１６４とを有する。
例えば、発光部１０８は、ボンディングパッド１６８を形成するため、図１のように第三の面と、第四の面とがメサ構造となるように、上の底面が下の底面より大きい円錐台形状に除去された部分を有してもよいし、角錐台形状に除去された部分を有してもよく、ボンディングパッドの形状に合わせて適宜決定することができる。このとき、下の底面が第三の面１６３に、側面が第四の面１６４に対応する。
さらに、発光素子１００は、第一の面１６１上に、図７Ａ〜図７Ｃに示すような細線状の表面電極１６７と、細線状の表面電極１６７以外の領域の第一の面１６１、第三の面１６３、第四の面１６４を被覆する絶縁誘電体層１６５と、第一の面１６１上に形成された細線状の表面電極１６７と第三の面１６３上に絶縁誘電体層１６５を介して形成されたボンディングパッド１６８とが電気的に接続されたものである第一電極部１７１と、第二の面１６２上に形成された第二電極部１７２とを有する。
このように、光取り出し面である第一の面１６１と平行に活性層１０５より下層に設けられた第三の面１６３と第一の面１６１とをつなぐ第四の面１６４が傾斜しているという発光素子１００であれば、活性層１０５から発した光は、傾斜した第四の面１６４により側面へ反射されるため、ボンディングパッド１６８の下部領域における光吸収を抑制する事ができ、発光素子の輝度を高めることができる。
上記のような図１に示す本発明の第１実施形態で説明した発光素子１００を製造する方法について、図２Ａ〜図４、図７Ａ〜図７Ｃを参照しながら、以下、説明する。
図２Ａを参照する。まず、出発基板１０１上に緩衝層１０２、エッチングストップ層１０３、第一導電型の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０．５≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）からなる第一半導体層１０４、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦０．５、０．４≦ｙ≦０．６）からなる活性層１０５、第二導電型の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０．５≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）からなる第二半導体層１０６を設けたエピ基板１１０を作製する。
出発基板１０１はＧａＡｓやＧｅを使用できるが、ＧａＡｓを用いるのが好適である。
第一半導体層１０４は図２Ａのように（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０．５≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）からなる層だけとしても良いし、図２Ｂのように、コンタクト抵抗を下げて順電圧ＶＦを下げるために、高ドーピングコンタクト層１０４ａや、低バンドギャップコンタクト層１０４ｂをエッチングストップ層１０３と第一半導体層１０４との間に設けてもかまわない。
第二半導体層１０６は図２Ａのように（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０．５≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）からなる層だけとしても良いし、図２Ｂのように、コンタクト抵抗を下げて順電圧ＶＦを下げるために、ＧａＰコンタクト層１０６ａや、ＧａＡｓコンタクト層１０６ｂを第二半導体層１０６上に設けてもかまわない。
コンタクト層の抵抗は低ければ低いほどよく、第二導電型がＮ型の場合は、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３以上、第二導電型がＰ型の場合は、ＺｎやＣを５×１０１８／ｃｍ３以上ドーピングすれば、コンタクト抵抗を十分に下げることができる。
第一半導体層１０４及び第二半導体層１０６は、活性層１０５内のキャリアを閉じ込める効果があれば十分であり、通常は０．５μｍ以上の厚さに設定される。また、第一半導体層１０４及び第二半導体層１０６の厚さが厚ければ効果は高まるが、成長終了後に室温に戻した際の格子不整合性を考慮すれば、第一半導体層１０４及び活性層１０５及び第二半導体層１０６の総厚は、１５μｍ以下に設定されるのが一般的である。本発明においては、第一半導体層１０４及び第二半導体層１０６の厚さは各々２μｍ程度が好適である。
活性層１０５は、単一組成層としても良いし、高バンドギャップ層たる障壁層と低バンドギャップ層たる活性層を交互に積層した構造、のどちらを選択しても良い。障壁層の厚さは隣接する活性層の波動関数が重なる１５μｍ未満の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）としても良いし、波動関数が重ならない１５μｍ以上の多重障壁型のどちらとしてもかまわない。
ＭＱＷ型の場合、活性層１０５の総厚を減らす事ができるため、活性層自体における光の自己吸収を抑制することができ、多重障壁型の場合、個々の活性層中におけるキャリア閉じ込め効果を高める事ができるため、再結合を促進する事ができる。どちらの構造も選択可能である事は言うまでもないが、ＭＱＷ型の場合、井戸層厚は６〜１５ｎｍ程度に選択する事が好適であり、障壁層は３〜１２ｎｍ程度に選択する事が好適である。
一方、多重障壁層型の場合、障壁層厚は１５〜５０ｎｍ程度に選択する事が好適であり、活性層の厚さは７〜１５ｎｍ程度に選択する事が好適である。
一方、多重障壁層型の場合、障壁層厚は１５〜５０ｎｍ程度に選択する事が好適であり、活性層の厚さは７〜１５ｎｍ程度に選択する事が好適である。
第一半導体層１０４、活性層１０５、第二半導体層１０６は、上記のように（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）で構成されるものであってもよいが、第一半導体層１０４、活性層１０５、第二半導体層１０６は、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）で構成されるものであるか、第一半導体層１０４、第二半導体層１０６は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）で、活性層１０５は、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）で構成されるものであってもよい。
次に図２Ａに示すようにエピ基板１１０上に活性層１０５で発生した光に対して透明な誘電体膜１１１を成膜する。透明で誘電体の性質を有する材料であれば、どのような材料を選択してもよいが、ＣＶＤ法で成膜する場合はＳｉＯ２やＳｉＮｘが、スパッタ法で成膜する場合は、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３などを成膜するのが簡便であり、他には、ＧａＮ、ＡｌＮといったものを選択してもよい。
誘電体膜１１１成膜後、フォトリソグラフィー法により、誘電体膜１１１を所望のパターンにパターンニングする。誘電体膜１１１のエッチングにはウエット法でもドライ法でもどちらも選択可能だが、たとえば、ＳｉＯ２膜に対してはフッ素を含有する酸でウエットエッチングが可能である。
エッチングにより誘電体膜１１１が部分的に除かれた領域１１２に、オーミックコンタクト用のオーミック金属層１１３を形成する。第二導電型がＮ型の場合、オーミック金属層１１３は、ＳｉやＧｅを含む金属で形成するのがオーミック接触抵抗を減ずるのに効果的であり、第二導電型がＰ型の場合、オーミック金属層１１３は、ＺｎやＢｅを含む金属で形成するのがオーミック接触抵抗を減ずるのに効果的である。
次に、誘電体膜１１１とオーミック金属層１１３上に、反射層部を構成する第一接合金属層１１４を形成し、これを第一接合基板１２０とする。
反射層部を構成する第一接合金属層１１４はＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔのうちいずれか１つ以上を含む金属で形成されることが好ましい。また、反射層部を構成する第一接合金属層１１４は、発光部１０８で発生する光に対する反射率が５０％以上となるように調整されたものが好ましい。
さらに、第一接合金属層１１４は、図２Ａのように１層のみとしてもよいが、図２Ｂのように、オーミック金属層１１３や下層からの金属拡散を抑制するため、第一接合金属層１１４の中間に拡散防止用の第一高融点金属層１１４ａを挟む構成としても良い。この高融点金属層１１４ａは、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔより１種類以上を含む金属層で形成することが好ましい。
次に、図３Ａに示すように発光素子自体を支持する基板となる支持基板１３０上に第二接合金属層１３１を形成し、第二接合基板１４０とする。
支持基板１３０は、導電性を有し平坦な板状物質であれば良く、半導体や金属が好ましく、具体的にはＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＺｎＯなどを選択できるが、コストの点を考慮すると、Ｓｉが好適である。
第二接合金属層１３１は、図３Ａのように１層のみとしてもよいが、図３Ｂのように、支持基板からの材料拡散を抑制するため、第二接合金属層１３１の中間に拡散防止用の第二高融点金属層１３１ａを挟む構成としても良い。第二高融点金属層１３１ａは、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔより１種類以上を含む金属層で形成することが好ましい。
次に図４に示すように、第一接合基板１２０の第一接合金属層１１４と第二接合基板１４０の第二接合金属層１３１とを相対させるように、第一接合基板１２０と第二接合基板１４０とを重ね合わせ、雰囲気を減圧し、１０００〜８０００Ｎの圧力をかけ、常温以上に加熱して２枚の基板を接合し、第三接合基板１５０を形成する。
続いて、出発基板１０１をエッチングで除去する。
特に、出発基板１０１にＧａＡｓからなる基板を使用した場合、アンモニアと過酸化水素水の混合液を用いると良い。
特に、出発基板１０１にＧａＡｓからなる基板を使用した場合、アンモニアと過酸化水素水の混合液を用いると良い。
出発基板１０１の除去後、エッチングストップ層１０３をエッチングで除去する。選択性のあるエッチング液でエッチングすれば良いが、本発明の場合、硫酸と過酸化水素水の混合液を用いるのが好適である。
次に図１に示すようにフォトリソグラフィー法により、第一半導体層１０４上に表面電極１６７を形成する。表面電極１６７は、第一半導体層１０４の第一導電型がＮ型の場合はＳｉ、Ｇｅを含む金属、第一半導体層１０４の第一導電型がＰ型の場合、Ｚｎ、Ｂｅを含む金属からなることが好ましい。また、表面電極１６７は電流分配の機能を有するため、低抵抗金属で形成するのが良く、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕのいずれか１種類以上を含むことが好ましい。
次に、フォトリソグラフィー法により、第一半導体層１０４の一部をレジストで被覆し、第一半導体層１０４、活性層１０５、第二半導体層１０６をエッチングで図１のようなメサ形状で除去し、活性層１０５より下層に位置する第二半導体層１０６に、第一の面と平行な第三の面１６３及び、第一半導体層１０４、活性層１０５、第二半導体層１０６を含み、第三の面１６３と第一の面１６１とをつなぐ傾斜した第四の面１６４を形成する。
エッチングはウエットエッチング法で行うことが好ましく、エッチング液は塩酸を含有する酸で実施することができる。エッチング面の角度は塩酸含有量で調整可能である。
エッチングはウエットエッチング法で行うことが好ましく、エッチング液は塩酸を含有する酸で実施することができる。エッチング面の角度は塩酸含有量で調整可能である。
第三の面１６３及び第四の面１６４を形成後、表面を被覆する絶縁誘電体層１６５を形成する。この絶縁誘電体層１６５の材料は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮから選択可能であるが、開口部１６６を形成する際にウエットエッチングプロセスを適用する場合、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯを選択することが好適である。
次に、フォトリソグラフィー法により、絶縁誘電体層１６５を所望のパターンにパターンニングする。エッチングにより絶縁誘電体層１６５の一部に開口部１６６を形成する。絶縁誘電体層１６５のエッチングにはウエット法でもドライ法でもどちらも選択可能である。
続いて、表面電極１６７と電気的に接続されるボンディングパッド１６８を形成し、これを第一電極部１７１とした。
続いて、表面電極１６７と電気的に接続されるボンディングパッド１６８を形成し、これを第一電極部１７１とした。
ボンディングパッド１６８はワイヤーボンディングに使用するため、厚さが厚ければ厚いほど良いが、コストパフォーマンスを考えた際に、５００ｎｍから３０００ｎｍ程度の厚さに選択されることが好ましく、特に本発明において、ボンディングパッド１６８の厚さは２０００ｎｍ程度とすることができる。しかしこのような厚さは単なる例示であり、前述の範囲内であればこれより厚くとも薄くとも効果に変わりがないため、当業者が適宜変更することができる。
最後に、支持基板１３０の裏面側である第二の面１６２上に第二電極部１７２を形成し、ダイシングによりチップ形状の発光素子を製造することができる（図１参照）。
本発明の発光素子において、いつくかの電極デザインを採用することができるが、オーミック金属層１１３と表面電極１６７は重ならない様に配置することが好ましい。
図７Ａは２５４μｍ×２５４μｍサイズの正方形形状のチップにおいて、表面電極１６７に略櫛型デザインを採用した場合の上面図の例であり、ボンディングパッド１６８は各表面電極に結線できるように配置される。図７Ｂは２５４μｍ×１２７μｍサイズの長方形形状のチップの場合の上面図の例である。図７Ａの場合と同様にボンディングパッド１６８を表面電極１６７に結線するが、表面電極１６７は横櫛を持たないため、図の上下方向に伸びる表面電極１６７にのみ結線される。また、図７Ｃは２５４μｍ×２５４μｍサイズの正方形形状のチップにおいて、略櫛型形状の表面電極１６７をとらず、表面電極１６７を波型形状とする場合を示す。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、第四の面１６４はボンディングパッド１６８と略相似形の円形状で描かれているが、円形に限定されるものではなく、矩形、もしくはその他の形状であってもよい。
図７Ａは２５４μｍ×２５４μｍサイズの正方形形状のチップにおいて、表面電極１６７に略櫛型デザインを採用した場合の上面図の例であり、ボンディングパッド１６８は各表面電極に結線できるように配置される。図７Ｂは２５４μｍ×１２７μｍサイズの長方形形状のチップの場合の上面図の例である。図７Ａの場合と同様にボンディングパッド１６８を表面電極１６７に結線するが、表面電極１６７は横櫛を持たないため、図の上下方向に伸びる表面電極１６７にのみ結線される。また、図７Ｃは２５４μｍ×２５４μｍサイズの正方形形状のチップにおいて、略櫛型形状の表面電極１６７をとらず、表面電極１６７を波型形状とする場合を示す。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、第四の面１６４はボンディングパッド１６８と略相似形の円形状で描かれているが、円形に限定されるものではなく、矩形、もしくはその他の形状であってもよい。
ここで、従来の発光素子の概略図である図５を参照する。図５において、従来の発光素子５００は、支持基板５３０上に反射層部５１４と、発光部５０８とを有し、光取り出し面である第一の面５６１と、支持基板の裏面側に第二の面５６２を有している。さらに、第一の面５６１上には、表面電極５６７とボンディングパッド５６８とが電気的に接続された第一電極部５７１と、第二の面５６２上に第二電極部５７２を有している。
図５のような従来の発光素子５００では、本発明の発光素子を図示する図１のような第一の面と平行に活性層１０５より下層の発光層部中に設けられた第三の面１６３や、第三の面１６３と第一の面１６１とをつなぐ傾斜した第四の面１６４は有していない。
次に、図８を参照しながら、本発明の発光素子の第２実施形態について以下説明する。
尚、第１実施形態である図１と同じものは図８においても同一の符号であらわし、また、第１実施形態と同一の構成に対しては、一部説明を割愛する。
尚、第１実施形態である図１と同じものは図８においても同一の符号であらわし、また、第１実施形態と同一の構成に対しては、一部説明を割愛する。
図８に示すように、本発明の発光素子２００は、支持基板１３０、第二接合金属層１３１、反射層部を構成する第一接合金属層１１４、誘電体膜１１１、誘電体膜を一部除去して形成した領域にオーミックコンタクト用のオーミック金属層１１３、発光部１０８を構成する第二導電型の第三の半導体層２０７、第二導電型の第二半導体層１０６、活性層１０５、第一導電型の第一半導体層１０４が順次積層されたものである。
また、発光素子２００は、発光部１０８の第一半導体層側に光取り出し面である第一の面１６１と、支持基板の裏面側に第二の面１６２とを有し、発光部内に、第一の面１６１と平行に活性層より下層、すなわち第三半導体層２０７に設けられた第三の面１６３と、該第三の面１６３と第一の面１６１とをつなぐ傾斜した第四の面１６４とを有する。
第三半導体層２０７は電流拡散の機能、ボンディング時の機械的衝撃を吸収する機能とウエットエッチング時の選択性を有する層で、０．５μｍ以上５０μｍ以下の厚さとすることが好ましい。また、第三半導体層２０７はＧａＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｚ≦１）からなる単一組成・ドーピング濃度層としても良いし、第三半導体層２０７上にコンタクトＧａＡｓ層（不図示）、あるいはコンタクトＧａＰ層（不図示）を設けても良い。
また、図８に記載の第２実施形態である発光素子２００を作製する方法において、メサ構造を形成する場合、フォトリソグラフィー法により、第一半導体層１０４の一部をレジストで被覆し、第一半導体層１０４、活性層１０５、第二半導体層１０６をエッチングで除去し、第三半導体層２０７に第三の面１６３を、第一半導体層１０４、活性層１０５、第二半導体層１０６を含む第四の面１６４を形成する。エッチングはウエットエッチング法で行い、エッチング液は塩酸を含有する酸で実施する。エッチング面の角度は塩酸含有量で調整可能である。塩酸系エッチャントを使用した場合、第三半導体層２０７に対して選択性を有するため、第三半導体層２０７でエッチング速度が急速に低下する。
このような第２実施形態においては、第１実施形態と比較して、第三の面１６３と第一接合金属層１１４との間で多重反射が発生するが、多重反射間で光吸収される材料がないため、第１実施形態と同様の傾向を取ることは言うまでもない。また、多重反射の過程で第三半導体層２０７の側面方向より放射される光が増大するという特徴を有する。
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示す発光素子１００を作製した。
すなわち、Ｓｉからなる厚さ１００μｍの支持基板上に、主としてＡｕからなる厚さ１．０μｍの第二接合金属層、Ａｕを含み、ＴｉやＮｉなどの高融点金属を接合部以外に積層したものからなる厚さ１．０μｍの反射層部を構成する第一接合金属層、ＳｉＯ２からなる厚さ０．３〜０．４μｍの誘電体膜、誘電体膜を一部除去して形成した領域に、主としてＡｕを含み、さらにドーパント金属を含むものからなるオーミックコンタクト用のオーミック金属層、発光部を構成する（Ａｌ０．９Ｇａ０．１）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる第二導電型の厚さ２．０μｍの第二半導体層、厚さ１２ｎｍの（Ａｌ０．８Ｇａ０．２）０．５Ｉｎ０．５Ｐと、厚さ７ｎｍの（Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８）０．５Ｉｎ０．５Ｐが２０周期の交互積層構造からなる活性層、（Ａｌ０．９Ｇａ０．１）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる第一導電型の厚さ２．０μｍの第一半導体層が順次積層され、第一半導体層上に主としてＡｕを含む金属層からなる高さ２．０μｍの表面電極が形成されたものである。
図１に示す発光素子１００を作製した。
すなわち、Ｓｉからなる厚さ１００μｍの支持基板上に、主としてＡｕからなる厚さ１．０μｍの第二接合金属層、Ａｕを含み、ＴｉやＮｉなどの高融点金属を接合部以外に積層したものからなる厚さ１．０μｍの反射層部を構成する第一接合金属層、ＳｉＯ２からなる厚さ０．３〜０．４μｍの誘電体膜、誘電体膜を一部除去して形成した領域に、主としてＡｕを含み、さらにドーパント金属を含むものからなるオーミックコンタクト用のオーミック金属層、発光部を構成する（Ａｌ０．９Ｇａ０．１）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる第二導電型の厚さ２．０μｍの第二半導体層、厚さ１２ｎｍの（Ａｌ０．８Ｇａ０．２）０．５Ｉｎ０．５Ｐと、厚さ７ｎｍの（Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８）０．５Ｉｎ０．５Ｐが２０周期の交互積層構造からなる活性層、（Ａｌ０．９Ｇａ０．１）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる第一導電型の厚さ２．０μｍの第一半導体層が順次積層され、第一半導体層上に主としてＡｕを含む金属層からなる高さ２．０μｍの表面電極が形成されたものである。
また、発光部にメサ構造のくぼみを形成し、第三の面は第二半導体層中に形成されたものであり、第三の面と第四の面のなす角度は３０〜６０度とした。
さらに、第一半導体層上の第一の面と、第三の面、第四の面を被覆するように、ＳｉＯ２からなる厚さ０．３〜０．４μｍの絶縁誘電体層を形成し、絶縁誘電体層を介してメサ構造のくぼみに、主としてＡｕからなる厚さ２．０μｍのボンディングパッドを形成した。支持基板の裏面に主としてＡｕからなる厚さ０．２〜０．５μｍの第二電極部を形成した。
さらに、第一半導体層上の第一の面と、第三の面、第四の面を被覆するように、ＳｉＯ２からなる厚さ０．３〜０．４μｍの絶縁誘電体層を形成し、絶縁誘電体層を介してメサ構造のくぼみに、主としてＡｕからなる厚さ２．０μｍのボンディングパッドを形成した。支持基板の裏面に主としてＡｕからなる厚さ０．２〜０．５μｍの第二電極部を形成した。
上記実施例において、ボンディングパッドの直径を１００μｍから１０μｍごとに７０μｍまで変化させた場合、発光素子チップの一辺の長さを１２７μｍ〜３３０μｍに対する光吸収防止効果の関係について調査した。その結果、図６Ａのようになった。ここでいう光吸収防止効果とは、活性層より生じた光が積層方向に平行方位に放射され、スネルの法則に従って活性層内を伝播する光を対象にしている。従来はパッド下部の非発光領域に入射する光は全て吸収される。このようにパッド下部で吸収されていた光を素子下部方向に曲げ、直接吸収されるのを防止した割合を光吸収防止効果としている。
矩形形状におけるチップの１辺の長さが２５４μｍ付近から１２７μｍと小さくなるにつれて、活性層における光吸収が減っていることがわかる。１２７μｍより小さいサイズの例示をしていないが、矩形チップでは作製が難しいためであり、また、ボンディングパッドの直径が１００μｍの場合、近接しすぎるためである。２５４μｍにおける光吸収防止効果は１．５％前後であり、これより２５４μｍ以上のチップサイズでも、効果はほぼ同一であり、これ以上の改善は起こらないことが分かる。
（比較例）
実施例において発光部にメサ構造のくぼみを形成せず、図５のように第一電極部を形成したこと以外は実施例と同様に発光素子を形成した。
実施例において発光部にメサ構造のくぼみを形成せず、図５のように第一電極部を形成したこと以外は実施例と同様に発光素子を形成した。
上記実施例において、ボンディングパッドの直径を１００μｍから１０μｍごとに７０μｍまで変化させた場合、発光素子チップの大きさに対する発光出力（輝度）の従来比（比較例を１００％とした場合）の関係について調査した。その結果は図６Ｂのようになった。
１２７μｍ角のチップサイズから３３０μｍ角のチップサイズにわたって、ボンディングパッドの直径によらず従来構造比で２〜１３％程度出力が上昇していることがわかる。３３０μｍ角を超すサイズでも確認をしているが、従来比で２％前後の出力上昇が確認される。図６Ｂでは、大きなチップの例として３３０μｍと２７９μｍの従来比の出力上昇を記載しているが、２５４μｍ以下のサイズではそれより大きなサイズのチップの水準とは異なる出力上昇が発生し、この傾向はチップサイズが小さくなるにつれて増大する。本発明の効果は大きなチップにも効果があるが、特に２５４μｍ以下の小さなチップに対して本発明は特に効果が大きい事がわかる。
１２７μｍ角のチップサイズから３３０μｍ角のチップサイズにわたって、ボンディングパッドの直径によらず従来構造比で２〜１３％程度出力が上昇していることがわかる。３３０μｍ角を超すサイズでも確認をしているが、従来比で２％前後の出力上昇が確認される。図６Ｂでは、大きなチップの例として３３０μｍと２７９μｍの従来比の出力上昇を記載しているが、２５４μｍ以下のサイズではそれより大きなサイズのチップの水準とは異なる出力上昇が発生し、この傾向はチップサイズが小さくなるにつれて増大する。本発明の効果は大きなチップにも効果があるが、特に２５４μｍ以下の小さなチップに対して本発明は特に効果が大きい事がわかる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１００、２００、５００…発光素子、 １０１…出発基板、 １０２…緩衝層、
１０３…エッチングストップ層、 １０４…第一半導体層、
１０４ａ…高ドーピングコンタクト層、 １０４ｂ…低バンドギャップコンタクト層、
１０５…活性層、 １０６…第二半導体層、 １０６ａ…ＧａＰコンタクト層、
１０６ｂ…ＧａＡｓコンタクト層、 １０８、５０８…発光部、 １１０…エピ基板、
１１１…誘電体膜、 １１２…部分的に除かれた領域、 １１３…オーミック金属層、
１１４…第一接合金属層、 １１４ａ…第一高融点金属層、
１２０…第一接合基板、 １３０、５３０…支持基板、 １３１…第二接合金属層、
１３１ａ…第二高融点金属層、 １４０…第二接合基板、 １５０…第三接合基板、
１６１、５６１…第一の面、 １６２、５６２…第二の面、 １６３…第三の面、
１６４…第四の面、 １６５…絶縁誘電体層、 １６６…開口部、
１６７、５６７…表面電極、 １６８、５６８…ボンディングパッド、
１７１、５７１…第一電極部、 １７２、５７２…第二電極部、
２０７…第三の半導体層、 ５１４…反射層部。
１０３…エッチングストップ層、 １０４…第一半導体層、
１０４ａ…高ドーピングコンタクト層、 １０４ｂ…低バンドギャップコンタクト層、
１０５…活性層、 １０６…第二半導体層、 １０６ａ…ＧａＰコンタクト層、
１０６ｂ…ＧａＡｓコンタクト層、 １０８、５０８…発光部、 １１０…エピ基板、
１１１…誘電体膜、 １１２…部分的に除かれた領域、 １１３…オーミック金属層、
１１４…第一接合金属層、 １１４ａ…第一高融点金属層、
１２０…第一接合基板、 １３０、５３０…支持基板、 １３１…第二接合金属層、
１３１ａ…第二高融点金属層、 １４０…第二接合基板、 １５０…第三接合基板、
１６１、５６１…第一の面、 １６２、５６２…第二の面、 １６３…第三の面、
１６４…第四の面、 １６５…絶縁誘電体層、 １６６…開口部、
１６７、５６７…表面電極、 １６８、５６８…ボンディングパッド、
１７１、５７１…第一電極部、 １７２、５７２…第二電極部、
２０７…第三の半導体層、 ５１４…反射層部。
Claims (8)
- 支持基板と、該支持基板より上の反射層部と、該反射層部より上の発光部とを有し、該発光部は、第一導電型の第一半導体層、活性層、第二導電型の第二半導体層から形成されたものであり、前記発光部の第一半導体層側に光取り出し面である第一の面を有し、前記支持基板の裏面側が第二の面となる発光素子であって、
前記発光部は、前記第一の面と平行に前記活性層より下層に設けられた第三の面と、該第三の面と前記第一の面とをつなぐ傾斜した第四の面とを有するものであり、
前記第一の面、前記第三の面、前記第四の面上の一部を被覆する絶縁誘電体層と、
更に前記第一の面上に形成された細線状の表面電極と前記第三の面上に形成されたボンディングパッドとが電気的に接続されたものである第一電極部と、前記第二の面上に形成された第二電極部とを有するものであることを特徴とする発光素子。 - 前記第四の面はウエットエッチング法で形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記絶縁誘電体層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＭｇＯ、ＭｇＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮのうちのいずれかからなるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
- 前記第一半導体層、前記活性層、前記第二半導体層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）で構成されるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記第一半導体層、前記活性層、前記第二半導体層は、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）で構成されるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記第一半導体層、前記第二半導体層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０．４≦ｙ≦０．６）、前記活性層は、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）で構成されるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記支持基板は、半導体又は金属からなる導電性の基板であり、前記反射層部は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔのうちいずれか１つ以上を含む金属からなるものであり、且つ、前記反射層部は、前記発光部で発生する光に対する反射率が５０％以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記発光素子のチップの１辺は１２７μｍ以上２５４μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の発光素子。
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