JP3147670U - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ｎ型及びｐ型パッドが素子の長手方向で対向する横長の発光素子において、光出力Ｐｏを向上させるとともに、駆動電圧Ｖｆを減少させ得る窒化物系半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物系半導体の横長発光素子において、ｐ型窒化物半導体層上に形成された横長の透明電極２０５をＩＴＯとし、前記透明電極上に形成されるｐ型電極パッド２０６を窒化物半導体層の外側エッジラインから５０〜２００μｍ分だけ離隔された範囲で、最適な光出力Ｐｏを向上させるとともに、駆動電圧Ｖｆを減少させ得る位置に配置し、ｎ型窒化物半導体層上に形成されたｎ型電極パッド２０７と対向させる。
【選択図】図３

Description

本考案は、液晶のバックライトとして有効な横長の窒化物系半導体発光素子に関し、特に、横長発光面に最大光出力Ｐｏを与えるとともに発光素子の駆動電圧Ｖｆを減少させ得る窒化物系半導体発光素子に関する。

最近、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、優れた物理的、化学的特性により、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）又はレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）などの発光素子の核心素材として注目されつつある。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料を利用したＬＥＤ又はＬＤは、青色又は緑色波長帯の光を得るための発光素子に多く用いられており、このような発光素子は、電光板及び照明装置など各種製品の光源として応用されている。ここで、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、通常、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）の組成式を有するＧａＮ系物質からなる。

以下、図１及び図２を参照して、先行の窒化物系半導体発光素子を詳細に説明する。

図１は、液晶のバックライトとして提案される横長の窒化物系半導体発光素子を示す断面図であり、図２は、その窒化物系半導体発光素子を示す平面図である。

まず、図１に示すように、液晶のバックライトに使用する窒化物系半導体発光素子１００は、横長の発光面を形成するのが得策であり、窒化物系半導体物質の成長のためのサファイア基板１０１を横長とし、該サファイア基板１０１上に順次横長のｎ型窒化物半導体層１０２、活性層１０３及びｐ型窒化物半導体層１０４を備え、前記ｐ型窒化物半導体層１０４及び活性層１０３は、メサエッチング（ｍｅｓａ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程によりその一部領域が除去され、ｎ型窒化物半導体層１０２の上面の一部を露出した構造を有する。

そして、前記メサエッチング工程によりエッチングされないｐ型窒化物半導体層１０４上には、ｐ型電極パッド１０６が形成されており、前記ｎ型窒化物半導体層１０２上には、ｎ型電極パッド１０７が形成される。

ここで、前記ｐ型窒化物半導体層１０４は、ｎ型窒化物半導体層１０２に比べて、高い比抵抗を有するため、ｐ型窒化物半導体層１０４とｎ型窒化物半導体層１０２との抵抗差により、電流拡散特性が低くなるという問題がある。このように、電流拡散特性が低くなれば、光抽出効率も低くなることから、結局、窒化物系半導体発光素子１００の輝度が低下する。これにより、従来では、前記ｐ型窒化物半導体層１０４上に透明電極１０５を形成して、前記ｐ型電極パッド１０６を介して注入される電流の注入面積を増加させることで、電流拡散効果を改善した。特に最外径が７００μｍ以上の素子においては、ｎ電極からｐ電極に至る距離が５００μｍにも至る場合があり、透明電極だけでは十分な電流拡散効果が得られないため、ｎ電極及びｐ電極にチップ全体に補助電極を延長して配設し、電流を拡散させる配慮を施している（特許文献１及び２）
特開２００１−３４５４８０号 特開２００２−１６２８８号

ところが、上記のように、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子１００は、ｐ型窒化物半導体層１０４上に透明電極１０５をさらに備えて、既存に比べて向上した電流拡散効果を得ることができたが、前記透明電極１０５とｎ型窒化物半導体層１０２との間の面抵抗の差が大きい場合には、相変らず低い電流拡散特性を示すという問題がある。その例として、通常用いられているＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を透明電極１０５として使用する場合、前記ＩＴＯの高い面抵抗により、ｐ型電極パッド１０６の付近（図面符号「Ａ₁」参照）で局部的な電流集中現象が発生するという知見を得た。

他方、従来の窒化物系半導体発光素子１００は、中央部は電極パッドで阻害されない発光面を図２に示すように、ｐ型電極パッド１０６をメサラインである前記ｐ型窒化物半導体層１０４の外側エッジラインと最大限近接するように形成して、ｎ型電極パッド１０７との間隔を最大限離隔させることにより、これらの間での発光面積を最大限確保して光出力の向上効果を期待している。しかしながら、こういう場合、上述したようなｐ型電極パッド１０６付近Ａ₁での局部的な電流集中が極めて増加するため、駆動電圧が増加するなど、素子の信頼性が低下するという問題が発生するという知見を得た。

なお、前記ｐ型電極パッド１０６付近Ａ₁は、電流が集中することにより発光が優先的に発生する領域（以下、「優先発光領域」と称する）でもあり、上記のように、ｐ型電極パッド１０６をメサラインと近接して形成する場合、むしろ、発光密度の高い優先発光領域であるｐ型電極パッド１０６付近Ａ₁の面積を確保するのに限界があるから、チップ全体の光抽出効率を向上させるのが困難である。一方、図１において点線で示したものは、電流の経路である。

そこで、本考案は、上述の横長ＩＴＯ系透明電極を用いる場合の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光出力Ｐｏ（ｍＷ）を向上させるとともに、駆動電圧Ｖｆ（Ｖ）を減少させ、素子の信頼性を向上させ得る窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とある。

上記の目的を達成すべく、鋭意研究の結果、透明電極上に形成されるｐ型電極パッドを、前記ｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから離間させるのがよく、５０〜２００μｍ分だけの離隔範囲内に、外側エッジラインからの離隔に伴い減少する駆動電圧Ｖｆ（Ｖ）の特性（図７参照）と外側エッジラインからの離隔に伴い始めは増大し、その後減少する光出力Ｐｏ（ｍＷ）の特性（図６）との両者の最適位置があることを見出し、本考案を完成したもので、長方形サファイア基板と、前記長方形サファイア基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層の上に順に形成された長方形活性層及び長方形ｐ型窒化物半導体層とからなる、縦対横の長さ比が、１対１．５以上である横長の発光面を有する発光素子であって、横長の発光素子の長手方向両端に一対の電極パッドを対向して配設するに当たり、横長の発光素子の長手方向両端の一方をメサエッチングにより前記ｎ型窒化物半導体層の一部を露出させ、該露出したｎ型窒化物半導体層上に少なくとも内側に円弧状先端部を有するｎ型電極パッドを設ける一方、該ｎ型電極パッドを囲み、長手方向他端に延びる前記ｐ型窒化物半導体層上に全面に渡ってＩＴＯ系透明電極を形成するとともに、前記透明電極上に形成され、前記ｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから５０〜２００μｍ分だけの離隔範囲内で、少なくとも内側に円弧状先端部を有する前記ｐ型電極パッドを、外側エッジラインからの離隔に伴い変動する駆動電圧Ｖｆ（Ｖ）と光出力Ｐｏ（ｍＷ）との両者の最適位置に設定したことを特徴とする窒化物系半導体発光素子にあり、特に、前記ＩＴＯ系透明電極上に形成されるｐ型電極パッドをＡｕ又はＡｕ／Crとするのが好ましい。

本考案によれば、ＩＴＯ系透明電極における特有の問題点、ｐ型電極パッド付近の面積が拡張されず、局部的に電流が集中するという問題点が、縦対横の長さ比が、１対１．５以上である場合に増長されるのに鑑み、一対の長手方向に対向して配置されるｎ型及びｐ型電極パッドの対向する少なくとも先端形状を円弧状とし、しかもメサラインに近接して配置されていたｐ型電極パッドをメサラインから５０〜２００μｍの範囲で離隔させることにより、チップの光出力Ｐｏを向上させるとともに、駆動電圧Ｖｆを減少させるなど、素子の信頼性を向上させることができる。したがって、例えば、横長の発光素子は横方向に多数の発光素子を並列して配置される液晶バックライトに用いるに適するが、その横長の発光素子を光出力Ｐｏの向上と駆動電圧Ｖｆの減少によって実用化するという効果がある。

以下、本考案の好ましい実施形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。しかしながら、本考案はこれらの実施形態に限定されない。

窒化物系半導体発光素子の構造
図３及び図４を参考に、本考案の一実施形態に係る窒化物系半導体発光素子について詳細に説明する。

図３は、本考案の一実施形態に係る窒化物系半導体発光素子を示す断面図であり、図４は、本考案の一実施形態に係る窒化物系半導体発光素子を示す平面図である。

図３に示すように、本考案の一実施形態に係る窒化物系半導体発光素子２００は、窒化物系半導体物質の成長のためのサファイア基板２０１と、該サファイア基板２０１上に順次形成されたバッファ層（図示せず）、ｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３、及びｐ型窒化物半導体層２０４を備え、前記ｐ型窒化物半導体層２０４及び活性層２０３は、メサエッチング工程によりその一部領域が除去されるため、前記ｎ型窒化物半導体層２０２の一部上面を露出した構造を有する。

ここで、前記バッファ層は、前記サファイア基板２０１とｎ型窒化物半導体層２０２との間の格子整合を向上させるために、サファイア基板２０１上に成長されるものであって、通常、ＡｌＮ／ＧａＮなどからなることができる。

そして、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層２０２，２０４、及び前記活性層２０３は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ組成式（ここで、０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）を有する半導体物質からなることができる。さらに詳細に、前記ｎ型窒化物半導体層２０２は、ｎ型導電形不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、前記ｎ型導電形不純物には、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎなどを使用し、好ましくは、Ｓｉを主に使用する。また、前記ｐ型窒化物半導体層２０４は、ｐ型導電形不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、前記ｐ型導電形不純物には、例えば、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｂｅなどを使用し、好ましくは、Ｍｇを主に使用する。そして、前記活性層２０３は、多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ層からなることができる。

前記メサエッチング工程によりエッチングされないｐ型窒化物半導体層２０４上には、ＩＴＯ材質の透明電極２０５が形成されている。そして、前記透明電極２０５上には、メサラインである前記ｐ型窒化物半導体層２０４の外側エッジラインから所定間隔が離隔されたｐ型電極パッド２０６が形成されており、前記メサエッチング工程により露出されたｎ型窒化物半導体層２０２上には、ｎ型電極パッド２０７が形成されている。このとき、前記ｐ型電極パッド２０６は、一般的な窒化物系半導体発光素子チップのサイズを考慮して、前記ｐ型窒化物半導体層２０４の外側エッジラインから５０〜２００μｍだけ離隔されて形成されることが好ましい。

また、前記基板２０１の平面形状は、図４に示すように、長方形のものが好ましく、このとき、長方形の縦対横の比が１対１．５以上であることが好ましい。

一方、上述したように、通常用いられているＩＴＯを透明電極２０５として使用する場合、前記ＩＴＯの高い面抵抗により、ｐ型電極パッド２０６付近で局部的な電流集中現象が発生できるが、本考案の実施の形態では、前記ｐ型電極パッド２０６がメサラインから所定間隔が離隔されているため、電流の局部的な集中を分散させることができる。これにより、駆動電圧を減少させ得るなど、素子の信頼性を向上させ得るが、優先発光領域であるｐ型電極パッド２０６付近の面積を拡張（図３の図面符号「Ａ₂」参照）でき、チップ全体の発光効率を向上させることができる。一方、図３において点線で示したものは、電流の経路である。

以下では、本考案の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法について説明する。

図５Ａ〜図５Ｄは、本考案の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。

まず、図５Ａに示すように、窒化物系半導体物質の成長のためのサファイア基板２０１上に、バッファ層（図示せず）、ｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３、及びｐ型窒化物半導体層２０４を順に形成する。ここで、前記バッファ層は形成しなくてもよく、ｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３及びｐ型窒化物半導体層２０４は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ組成式（ここで、０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１である）を有する半導体物質からなることができ、一般に、有機金属化学気相（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）などの工程により形成できる。

次に、図５Ｂに示すように、前記ｐ型窒化物半導体層２０４、活性層２０３、及びｎ型窒化物半導体層２０２の一部をメサエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層２０２の一部を露出させる。

その後、図５Ｃに示すように、前記ｐ型窒化物半導体層２０４上に透明電極２０５を形成する。前記透明電極２０５は、通常、ＩＴＯで形成する。

その後、図５Ｄに示すように、前記ｐ型窒化物半導体層２０４の外側エッジラインから所定間隔離隔された前記透明電極２０５上にｐ型電極パッド２０６を形成し、前記ｎ型窒化物半導体層２０２上にｎ型電極パッド２０７を形成する。前記ｐ型電極パッド２０６及びｎ型電極パッド２０７は、Ａｕ又はＡｕ／Ｃｒなどのような金属を利用して形成できる。

このとき、上述したように、前記透明電極２０５として用いられるＩＴＯの高い面抵抗により、ｐ型電極パッド２０６の付近に電流が集中することができるが、本考案の実施の形態では、前記ｐ型電極パッド２０６がメサラインから所定間隔が離隔されているため、電流の局部的な集中を分散させることができる。したがって、本考案は、駆動電圧の減少効果を得ることができ、優先発光領域であるｐ型電極パッド２０６付近の面積を拡張（図５Ｄの図面符号「Ａ₂」参照）できるため、チップ全体の発光効率を向上させることができる。

ここで、図６は、ｐ型電極パッドの離隔距離に応じるＰｏ（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）変化を示すグラフであり、図７は、ｐ型電極パッドの離隔距離に応じる駆動電圧の変化を示すグラフである。

まず、図６に示すように、ｐ型電極パッド２０６がメサラインから約５０μｍ〜２００μｍ分だけ離隔される間、Ｐｏ値が増加する傾向を示しており、２００μｍ以上に離隔されるほど、Ｐｏ値が減少することが分かる。したがって、前記ｐ型電極パッド２０６は、メサラインである前記ｐ型窒化物半導体層２０４の外側エッジラインから５０〜２００μｍ程度の範囲で離隔されることが最も好ましい。

そして、図７に示すように、前記ｐ型電極パッド２０６を、メサラインから所定間隔離隔させることにより、すなわち、ｐ型電極パッド２０６とｎ型電極パッド２０７との間の距離を減少させることによって、駆動電圧値が減少したことが分かる。

図８は、ｐ型電極パッドをメサラインから５５μｍ離隔させた場合の発光状態を示す写真である。

本考案の実施の形態により、ｐ型電極パッド２０６をメサラインから５５μｍ離隔させた場合、同図に示すように、全チップにおいて均一な光効果を得ることができることはもちろん、優先発光領域であるｐ型電極パッド２０６付近の面積を拡張できることから、チップ全体の発光効率をさらに向上させることができる。

一方、前記サファイア基板２０１の平面形状は、長方形のものが好ましく、これは、前記サファイア基板２０１が長方形である場合が、正四角形の場合に比べてｐ型電極パッド２０６をメサラインから離隔させ得る距離に対するマージン確保に有利なためである。このとき、前記長方形の縦対横の長さ比が１対１．５以上であることが好ましい。これは、長方形の縦対横の長さ比が１．５より小さい場合、メサラインから離隔されるｐ型電極パッド２０６がｎ型電極パッド２０７に近づきすぎることによって、むしろ電流の拡散性が低くなり得る可能性があるためである。

上述した本考案の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本考案の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本考案の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子を示す断面図である。 従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子を示す平面図である。 本考案の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を示す断面図である。 本考案の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を示す平面図である。 本考案の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本考案の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本考案の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本考案の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 ｐ型電極パッドの離隔距離に応じるＰｏ（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）変化を示すグラフである。 ｐ型電極パッドの離隔距離に応じる駆動電圧の変化を示すグラフである。 ｐ型電極パッドをメサラインから５５μｍ離隔させた場合の発光状態を示す写真である。

符号の説明

２００ 窒化物系半導体発光素子
２０１ サファイア基板
２０２ ｎ型窒化物半導体層
２０３ 活性層
２０４ ｐ型窒化物半導体層
２０５ 透明電極
２０６ ｐ型電極パッド
２０７ ｎ型電極パッド
Ａ₂ 拡張された優先発光領域

Claims (4)

1. 長方形サファイア基板と、
   前記長方形サファイア基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層の上に順に形成された長方形活性層及び長方形ｐ型窒化物半導体層とからなる、縦対横の長さ比が、１対１．５以上である横長の発光面を有する発光素子であって、
   横長の発光素子の長手方向両端に一対の電極パッドを対向して配設するに当たり、横長の発光素子の長手方向両端の一方をメサエッチングにより前記ｎ型窒化物半導体層の一部を露出させ、該露出したｎ型窒化物半導体層上に少なくとも内側に円弧状先端部を有するｎ型電極パッドを設ける一方、該ｎ型電極パッドを囲み、長手方向他端に延びる前記ｐ型窒化物半導体層上のほぼ全面に渡ってＩＴＯ系透明電極を形成するとともに、前記透明電極上に形成され、前記ｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから５０〜２００μｍ分だけの離隔範囲内で、外側エッジラインからの離隔に伴い変動する駆動電圧Ｖｆ（Ｖ）と光出力Ｐｏ（ｍＷ）との両者の最適位置に、少なくとも内側に円弧状先端部を有する前記ｐ型電極パッドを設定したことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 前記駆動電圧Ｖｆ（Ｖ）が外側エッジラインからの離隔に伴い減少することを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記光出力Ｐｏ（ｍＷ）が外側エッジラインからの離隔に伴い始めは増大し、その後減少することを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記ＩＴＯ系透明電極上に形成されるｐ型電極パッドをＡｕ又はＡｕ／Crとする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。