JP3174849U

JP3174849U - 半導体発光装置

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Publication number: JP3174849U
Application number: JP2012000409U
Authority: JP
Inventors: 哲二松尾
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: TWI538249B; TW201332152A

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】一方の主面５と他方の主面６とを有し且つ導電性を有している平面視において略矩形に形成された基板１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１１、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１３を有する平面視において多角形に形成され、発光素子を構成するための主半導体領域２を備える。また、前記主半導体領域上に設けられたボンディングパッド２０と、前記第１の半導体層の外周側面の一部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５０と、を備え、前記短絡電極は、前記基板の角部に形成する。
【選択図】図２

Description

本考案は、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。

近年、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、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１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１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２７４１７０５号公報

本考案は、上記課題を解決するためになされたものである。従って、本考案は、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、本考案は、
一方の主面と他方の主面とを有し且つ導電性を有している平面視において略矩形に形成された基板と、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の半導体層を有し、少なくとも前記第１の半導体層を有する平面視において多角形に形成された第１半導体領域もしくは、前記第２の半導体層を有する平面視において多角形に形成された第２半導体領域を備える主半導体領域と、前記主半導体領域上に設けられたボンディングパッドと、前記第１の半導体層の外周側面の一部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、前記基板の角部に形成され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。

本考案の第1の実施形態に係る半導体発光装置の平面図である。本考案の第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。従来例と本考案における光の進行方向を示した図である。（ａ）は従来例における半導体発光装置の平面図であり、（ｂ）は本考案の第1の実施形態に係る半導体発光装置の平面図である。本考案の第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。本考案の他の実施形態に係る半導体発光装置の平面図である。

次に、本考案の実施形態を、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、本考案はここに示す実施形態に限定される趣旨ではない。

図１及び図２に、本考案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。

本考案の第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、平面視において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多角形の環状に形成されている。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。

図３は、従来例と本考案に係る半導体発光装置において、ボンディングパッド２０の直下における主半導体領域２からの光の進行方向を図示し、比較したものである。図３（ａ）は、主半導体領域２が四角形（略正方形）に形成された従来例に係る半導体発光装置である。一方、図３（ｂ）は、主半導体領域２が多角形の環状に形成された本考案に係る半導体発光装置である。
図３（ａ）では、ボンディングパッド２０から半導体基板１の外周辺に向かって垂直に進行する光（矢印Ｂ１）は、主半導体領域２の外周辺に対し垂直に進入する。そのため、主半導体領域２の側面で反射される光の量は少なく、効率よく光が取り出される。
しかし、ボンディングパッド２０から放射状に半導体基板１の角部に向かって進行する光（矢印Ｂ２）は、主半導体領域２の外周辺に対し、平面視において斜め方向（図３（ａ）においては、約４５°）から進入する。そのため、主半導体領域２の側面によってその光の大部分は内側へ反射されることになり、外部へ取り出される光は減少し、光取出し効率は低い。
一方、図３（ｂ）に示す本考案に係る半導体発光装置における主半導体領域２は、多角形の環状に形成されているため、図３（ａ）の場合と同様にボンディングパッド２０から放射状に半導体基板１の角部に向かって進行する光（矢印Ｂ２）であっても、主半導体領域２の外周辺に対し垂直に進入する。そのため、主半導体領域２の側面で反射される光の量は少なく、効率よく光が取り出される。
すなわち、本考案における半導体発光装置は、特に半導体基板１の角部における光の取り出し効率が、著しく改善されることになる。

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、短絡電極５０が形成される。ボンディングパッド２０の直下においては、その外周部と比較して電流が集中するため、比較的大きな光が発生する。そして、この光は、主に主半導体領域２の側面から取り出されるが、図２に示すように、ｎ型半導体層１１の側面と半導体基板１の一方の主面５との間を電気的に短絡する短絡電極５０は、ｎ型半導体層１１の側面の一部を覆うように形成される。そのため、光取り出し効率の高い領域である２つの破線Ｃに挟まれた領域及び２つの破線Ｄによって挟まれた領域に短絡電極５０を配置すると、外部へ取り出されるべき光の多くがこの短絡電極５０によって阻害されることになる。よって、短絡電極５０は半導体基板１の角部と比較し光取り出し効率の高い箇所である２つの破線Ｃに挟まれた領域及び２つの破線Ｄによって挟まれた領域の範囲外に配置することが好ましい。

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、例えばニッケル（Ｎｉ）を含む金属層（以下、Ｎｉ層）上にＡｌ層を積層した複合膜とすることができる。またＩｎ、ＳｎもしくはＺｎを含む透明導電性材料においても良好な接触抵抗が得られる。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は、ｎ型半導体層１１の外周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２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短絡電極５０の断線する危険性が高くなる。当該角度θ１が60°以上になると短絡電極５０の断線する危険性が急激に高くなる。
そのため、短絡電極５０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、短絡電極５０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、略矩形に形成される半導体基板１の中央付近に形成される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とから成る。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、本考案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考案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、平面視において多角形からなる主半導体領域２を備える半導体発光装置を例示的に示したが、例えば図５に示すように、半導体基板１の角部に円弧状の主半導体領域２を形成した半導体発光装置とすることもできる。

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
１７絶縁膜
１９光透過性導電膜
２２帯状接続導体層
５０短絡電極

Claims

一方の主面と他方の主面とを有し且つ導電性を有している平面視において略矩形に形成された基板と、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の半導体層を有し、少なくとも前記第１の半導体層を有する平面視において多角形に形成された第１半導体領域もしくは、前記第２の半導体層を有する平面視において多角形に形成された第２半導体領域を備える主半導体領域と、前記主半導体領域上に設けられたボンディングパッドと、前記第１の半導体層の外周側面の一部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、前記基板の角部に形成されることを特徴とする半導体発光装置。
少なくとも前記短絡電極が形成されない前記基板の角部において、平面視において前記ボンディングパッドから放射状に伸びる延長線に対し、略垂直に交差する外周辺を有するよう主半導体領域の外形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。
少なくとも前記短絡電極が形成されない前記基板の角部において形成される主半導体領域の外形が、平面視において円弧状に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。
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の半導体層の外周側面とで段差が形成され、前記短絡電極が形成されない領域における前記段差の角度が、前記短絡電極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から３のいずれか１項に記載の半導体発光装置。
前記短絡電極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４に記載の半導体発光装置。
前記短絡電極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４または５に記載の半導体発光装置。
前記短絡電極は、前記第１の半導体層から前記基板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ことを特徴とする請求項1から６のいずれか1項に記載の半導体発光装置。
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が含まれており、前記第2の金属層にはＡｌが含まれていることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。