JP2014532993A - より一様な注入及びより少ない光学的損失を備える改善されたｐ型接点 - Google Patents

Abstract

半導体装置のｐ型層にわたる電流分布は、ガードシートに隣接する領域において前記ｐ型層を通る電流の流れを故意に阻止することによって、前記装置の如何なる部分の光反射率も低下させずに、修正される。この電流の流れは、前記ｐ型接点に結合される前記ｐ型層の抵抗率を、接触領域の縁端部に沿って及びコーナーにおいて、上げることによって、阻止され得る。実施例においては、高抵抗性領域は、前記ｐ型接点が作成された後の、浅い少量水素イオン（H+）注入によって生成される。同様に、前記ｐ型接点及び前記ｐ型層の間の選択領域に抵抗性コーティングが付されてもよい。

Description

本発明は、半導体発光装置の分野に関し、詳細には、抽出効率を高め、前記装置の発光領域にわたってより一様な電流分布を供給するための技術に関する。

半導体発光装置の需要の大幅な増大、及びそれに対応する需要を満たすための競争の増大が、製造業者に、コストを減らす又はパフォーマンスを高める技術を探求させている。特に注目すべきなのは、発される光の質又は効率を高める技術は、或る競合企業の製品と他の競合企業の製品を区別するのに役立ち得ることである。

図１は、Daniel A. Steigerwald、Jerome C. Bhat及びMichael J. Ludowiseに出されたUSP 6,828,596、"CONTACTING SCHEME FOR LARGE AND SMALL AREA SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING FLIp-CHIP DEVICES"に開示されているような従来技術の薄膜フリップチップ（TFFC）のInGaNの発光装置（LED）の例を図示しており、参照により本願明細書に盛り込まれる。

この例の装置においては、ｎ型層１１０とｐ型層１３０との間に発光層１２０が形成される。外部電源（図示せず）が、パッド１６０及び１７０に対する接続を介して装置に電力を供給する。ｐ型パッド１６０は、ｐ型接点材料の移動を阻止する随意のガード層１５０を通して、ｐ型接点１４０を介してｐ型層１３０に結合される。ｎ型接点層１７０は、この例においては、ｎ型層１１０に直接結合される。境界層１８０は、ｎ型接点層１７０及びｎ型層１１０をｐ型層１３０及びｐ型接点１４０から絶縁する。

ｐ型接点１４０は、電流の流れに対して相対的により高い抵抗を持つｐ型層１３０を通る電流の一様な分布を促進するよう大きな面積にわたって設けられる。ｎ型層１１０は、高い抵抗を示さず、従って、ｎ型接点は、装置の面積の１０％以下であり得るより小さな面積しか覆わない。ｐ型接点１４０は、好ましくは、発光装置の上部の発光面の方へ光を反射するよう高反射性である。ｐ型接点１４０として一般に銀が用いられる。ｎ型接点層も反射性であり、アルミニウムなどの金属が好ましい。ガード層１５０は、金属製であってもよいが、この用途ための適切な高反射性金属はまだ見つかっていないので、部分的にしか反射性ではない。この部分的に反射性のガードシートが、ｐ型接点に隣接する領域を埋め、ｐ型接点の周囲においてより多くの光学的損失をもたらす。

本発明者は、ｐ型接点の周囲の約１５ミクロン内に生成される光が、高い確率で、ガード層領域１５０に入り、装置を出る機会を持つ前に、光吸収を被り得ることに気付いた。それ故、ｐ型接点の縁端部に注入される電流は、ｐ型接点の中央領域に注入される電流より低い外部量子効率を示すだろう。

本発明者は、ｎ型接点層を通る電流の横方向の流れと関連する電圧降下が、垂直の電流の流れの、接合電圧に対する指数関数的依存性と組み合わされて、装置の縁端部及びコーナーにおいて著しく高い電流密度を供給することから、装置の縁端部及びコーナーにおけるより多くの光学的損失にもかかわらず、装置の中央部より、装置の周囲及びコーナーにおいて、より多くの発光がもたらされることにも気付いた。これらの相対的に高い注入電流は、装置のコーナーに明るい領域を持つわずかなハロー効果（halo-effect）を生じさせる。

このような非一様な電流注入パターンは、場合によっては光学異常をもたらすことに加えて、内部量子効率が、より高い電流密度に対してはより低くなるので、非効率的である。発光装置の「過剰発光」部、とりわけ、コーナーは、装置内の電流をより多く引き寄せる「ホットスポット」にもなるだろう。これは、高い電流で動作させられる装置の早すぎる故障を招くことが確認されている。

発光領域を部分的に反射性のガード層から遠ざけること、及び活性層の表面にわたる注入電流密度発光の一様性を更に高めることは有利であるだろう。

これらの問題及び他の問題により良く対処するため、本発明の実施例においては、半導体装置のｐ型層にわたる電流分布が、ガードシートに隣接する領域において前記ｐ型層を通る電流の流れを故意に阻止することによって、前記装置の如何なる部分の光反射率も低下させずに、修正される。この電流の流れは、前記ｐ型接点に結合される前記ｐ型層の抵抗率を、接触領域の縁端部に沿って及びコーナーにおいて、上げることによって、阻止され得る。実施例においては、高抵抗性領域は、前記ｐ型接点が作成された後の、浅い少量水素イオン（H+）注入によって生成される。同様に、前記ｐ型接点及び前記ｐ型層の間の選択領域に抵抗性コーティングが付されてもよい。

一例として、添付図面を参照して、更に詳細に、本発明を説明する。

従来技術の発光装置の例を図示する。 この例の発光装置における電流分布を図示する。 電流分布を改善するために高抵抗領域と低抵抗領域とを含むｐ型接点を備える発光装置の例を図示する。 電流分布を改善するために高抵抗領域と低抵抗領域とを含むｐ型接点を備える発光装置の例を図示する。 図３Ａの変形例を図示する。

図面の全体を通じて、同じ参照符号は、同様の又は対応する特徴又は機能を示す。図面は、例示の目的のために含まれており、本発明の範囲を限定するものではない。

限定ではなく、説明の目的のための以下の記載において、本発明の概念の完全な理解を供給するために、特定のアーキテクチャ、インタフェース、技術などのような具体的な詳細を記載する。しかしながら、本発明が、これらの具体的な詳細から逸脱する他の実施例において実施され得ることは、当業者には明らかであるだろう。同様に、この記載の文は、図に図示されているような実施例に向けられており、請求項にはっきりと含まれている限定を超えて、請求項に記載の発明を限定するものではない。分かりやすさ及び明瞭さの目的のため、よく知られている装置、回路及び方法の詳細な記載は、本発明の記載を、不必要な詳細で不明瞭にしないように、省かれる。

説明及び理解を容易にするために、図１の従来技術の装置の例に照らして、本発明を提示する。しかしながら、当業者は、様々な異なるLED構造、又は低損失電流注入領域に隣接する吸収領域によってもたらされる光学的損失の減少から利益を得るだろうあらゆる構造に、本発明の原理の一部又は全部が適用可能であり得ることを理解するだろう。

上記のように、図１の発光装置、図２及び３において繰り返されているそれの構造は、ｐ型層１３０を通る電流のより一様な分布を供給する高反射性大面積ｐ型接点１４０を含む。ｎ型層１１０とｎ型パッド１７０との間の接触は、ｎ型層１１０の周囲に沿っている。境界層１８０は、ｎ型素子１１０、１８０を、ｐ型素子１３０、１４０、１５０から分離する。

図２に図示されているように、ｎ型パッド１７０及びｐ型パッド１６０を介して外部電源に接続される場合、ｎ型パッド１７０からの電子電流２００は、ｎ型層１１０を通って横方向に広がり、境界層１８０を横切り、ｐ型接点１４０及びｐ型パッド１６０に向けて下へ進む。ｎ型層１１０にわたる電流分布が、完全には一様ではなく、電流２００の供給源及びｐ型接点１４０の周囲からの距離が、ｐ型接点１４０の中央部からの距離より短いことから、ｐ型接点１４０の周囲に対する電流の流れ２００ａは、ｐ型接点１４０の中央部に対する電流の流れ２００ｂより大きいだろう。形状（コーナー対縁端部）、n-GaNのシート抵抗（厚さ及びドーピング）及び動作状態（電流、温度）に依存して、電流２００のかなりの部分２００ａが、ｐ型接点１４０の境界の近くに集中させられ得る。従って、活性層１２０のｐｎ接合を通る電流注入は、活性層１２０の周囲のまわりでより大きくなり、周囲においてより多くの発光をもたらすだろう。

この非一様な発光に起因する場合によっては好ましくない光学的作用に加えて、この非一様性は、場合によっては、全体的な光抽出効率を低下させる。なぜなら、光学的損失が最も大きい領域において、より多くの発光が生じるからである。発光活性層１２０の中央においては、発される光の大部分が、直接又はｐ型接点層１４０からの反射を介して、最終的に、発光装置の上面を出るだろう。活性層１２０の中央から上面に対してシビアな角度で発される光（側面光）は、他の領域からのこのような光より、装置の上面を出る可能性がより高いだろう。なぜなら、中央からは、上面を出る前に境界層１８０のような光吸収機構に遭遇する可能性がより少ないからである。逆に、活性層１２０の周囲沿いでは、境界層１８０に遭遇する可能性が著しく高く、それに対応する光学的損失の増大を伴う。

非一様な電流の流れに関連する光学的な問題に加えて、より大きな電流の流れ２００ａは、バンドギャップを小さくし、更により多くの電流を引き寄せ、装置内に故障を起こしやすい領域の生成をもたらす「ホットスポット」を生じさせる。

更に、発光領域への一様でない電流注入は、チップ全体の内部量子効率（IQE：注入電子当たりに放射される光子数の割合）も低下させる。なぜなら、IQEは、（当業界においては「IQE垂下」として知られているように）電流密度が増加するにつれて低下するからである。

本発明の実施例においては、図３Ａ及び３Ｂにおいて図示されているように、ｐ型接点１４０の周囲領域３１０においては正孔電流注入が阻止される。図３Ｂは、図３Ａの装置の断面Ａ−Ａ'である。この正孔電流注入阻止領域３１０は、例えば、浅い少量H+注入、又はこの領域における電流の流れを減らす若しくはブロックする他の手段を用いることによって、形成され得る。このような注入は、ｐ型接点１４０を形成する銀の堆積後に、続いて電流阻止領域３１０を作成するよう処理される領域３１０を形成するフォトレジストパターンを用いて、実施され得る。この目的のための十分なエネルギ及び量は、銀の厚さに依存するが、15keVのエネルギ及び2e14cm-2の量が公称値である。ｐ型層内へ50nmより深く注入する高いエネルギ及び多い量は、ｐ型層において過剰な損傷を生じさせ、光吸収を増大させる。

図３Ｃにおいて図示されているように誘電性又は他の低導電性透明材料などの抵抗性材料３１０'でｐ型接点１４０の周囲をコーティングするなどの、周囲においてｐ型層１３０への電流の流れを阻止する他の手段も用いられ得る。ｐ型接点層１４０は、誘電性層３１０'の縁端部にぶつかり、少なくとも5μmの範囲まで重なり合い、重なり合った領域において高反射性銀−誘電体ミラーを生じさせ得る。

領域３１０において電流の流れを阻止することによって、ソース電流３００は、図３Ａにおける電流の流れ３００ａ、３００ｂによって図示されているように、更にｎ型層１１０を通って横方向に進路変更させられる。ｐ型接点１４０の周囲から横方向にそらすため、電流３００ａは、図２における電流２００ａと比べて、ｐ型接点１４０に到達する前に、ｎ型層１１０を通ってより遠くへ流れ、それに応じて、大きさが減少させられる。この周囲における電流の大きさの減少は、高い電流２００ａと関連する「ホットスポット」を減らし、高い電流２００ａに起因する早すぎる故障の可能性を低下させるだろう。

ｐ型接点１４０の周囲における電流の減少は、それに応じて、図２における電流２００ｂと比べて、発光層１２０の中央へ流れる電流３００ｂの増大を供給するだろう。図２及び３における同じ総電流量に対する全体的な作用効果は、図３の装置からのより一様な光出力を供給する、図３の発光層１２０のより一様な励起である。

更に、電流をｐ型接点１４０の周囲から遠くへ横方向に移動させることによって、発光領域の縁端部が、吸収するガード領域１５０から遠くへ再配置され、それによって、この領域１５０へ失われる光の量を減らす。

発光層１２０の下に最大限の反射領域を設け、それによって、あらゆる後方散乱光のための損失を最小限にするために、ｐ型接点層の外周コーナー３２０においては可能な限り小さい曲率半径を維持するのが望ましい。しかしながら、従来の装置においては、小さい曲率半径は、装置のコーナー３２０に押し寄せる電流を最大化し、コーナーにおいて更によりすごい局所ホットスポットを生じさせる。局所ホットスポットの可能性の低減は、阻止領域３１０の内周コーナー３３０を丸めることによっても達成され得る。コーナー３２０において小さい曲率半径を持つｐ型接点層に、コーナー３３０における曲率半径がより大きい電流阻止領域を作成することによって、光学的効率は維持され、ホットスポットは減らされる。

本発明を、図面において図示し、上記の説明において詳細に説明しているが、このような図及び説明は、説明的なもの又は例示的なものとみなされるべきであって、限定するものとみなされるべきではない。本発明は、開示されている実施例に限定されない。

例えば、Ag接点の、強化された接点が望ましい領域の下にNiOなどの接点強化層を置き、強化が望ましくない領域においてはこの層を取り除くことによって、本発明を動作させることが可能である。この実施例は、Ag-GaN接点の効果を減らすために、一般的なｐ型接点におけるMgドーピング又は他の損傷の削減と組み合され得る。

請求項に記載の発明を実施する当業者は、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する他の変形を、理解し、達成し得る。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (20)

1. ｎ型層と、
   ｐ型層と、
   前記ｎ型層及び前記ｐ型層の間の発光層と、
   前記ｎ型層に結合するためのｎ型パッドと、
   前記ｐ型層に結合するためのｐ型パッドと、
   前記ｐ型層を通る電流注入を促進するよう前記ｐ型層に前記ｐ型パッドを結合するｐ型接点層とを有する発光装置であって、
   前記ｐ型接点が、前記ｐ型接点の少なくとも１つの電流阻止領域において前記ｐ型層を通る電流注入を阻止するよう構成される発光装置。
2. 前記電流阻止領域が、前記ｐ型接点の、前記電流阻止領域がない場合に最大電流注入を供給する領域に対応する請求項１に記載の発光装置。
3. 前記電流阻止領域が、前記ｐ型接点の周囲に対応する請求項１に記載の発光装置。
4. 前記電流阻止領域が、前記ｐ型層のイオン注入領域を含む請求項１に記載の発光装置。
5. 前記ｐ型接点が銀を含む請求項４に記載の発光装置。
6. 前記電流阻止領域が、前記ｐ型層における抵抗性コーティングを含む請求項１に記載の発光装置。
7. 前記ｐ型層における前記抵抗性コーティングが実質的に透明である請求項６に記載の発光装置。
8. 前記電流阻止領域が、前記ｐ型接点の金属被覆の曲率半径より大きい曲率半径を持つ湾曲したコーナーを含む請求項１に記載の発光装置。
9. 前記電流阻止領域が、前記ｐ型接点の、前記ｎ型パッド及び前記ｎ型層の間の接触領域に最も近い領域に対応する請求項１に記載の発光装置。
10. 前記ｐ型接点が、前記ｐ型層との抵抗接点を改善する材料を含み、前記電流阻止領域が、この材料の不在に対応する請求項１に記載の発光装置。
11. 前記抵抗接点を改善する材料が、NiOを含む請求項９に記載の発光装置。
12. ｎ型層及びｐ型層の間に活性領域を含む発光素子を作成するステップと、
    前記ｐ型層にｐ型接点を設けるステップであって、前記ｐ型接点が、前記ｐ型接点から前記ｐ型層へ非一様な電流の流れを供給するように前記ｐ型層に結合されるステップと、
    外部電源との結合を容易にするよう前記ｐ型接点に結合されるｐ型パッドを設けるステップと、
    前記外部電源との結合を容易にするよう前記ｎ型層に結合されるｎ型パッドを設けるステップとを有する方法であって、
    前記非一様な電流の流れが、前記ｐ型接点の少なくとも１つの電流阻止領域を作成することによって供給される方法。
13. 前記方法が、前記電流阻止領域を作成するよう前記ｐ型層を抵抗性材料でコーティングするステップを含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記方法が、前記電流阻止領域を作成するよう前記ｐ型層にイオンを注入するステップを含む請求項１２に記載の方法。
15. 前記ｐ型接点が銀を含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記電流阻止領域が、前記ｐ型接点の周囲に対応する請求項１２に記載の方法。
17. 前記電流阻止領域が、前記ｐ型接点の金属被覆の曲率半径より大きい曲率半径を持つ湾曲したコーナーを含む請求項１２に記載の方法。
18. 前記電流阻止領域が、前記ｐ型接点の、前記ｎ型パッド及び前記ｎ型層の間の接触領域に最も近い領域に対応する請求項１２に記載の方法。
19. 前記ｐ型接点及び前記ｐ型層の間に抵抗接点を改善する材料を設けるステップと、前記電流阻止領域を形成するようその材料を省くステップとを含む請求項１２に記載の方法。
20. 前記抵抗接点を改善する材料が、NiOを含む請求項１９に記載の方法。

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