JP3691207B2

JP3691207B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP3691207B2
Application number: JP7781697A
Authority: JP
Inventors: 幸男尺田; 俊次中田; 雅之園部; 毅筒井; 範和伊藤
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: JPH10275933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は青色系（紫外線から黄色）の光を発光するのに適したチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、絶縁性基板上に半導体層が積層されるウェハから切断分離して発光素子チップを形成する場合に、切断分離がし易く、チップの取れ数を向上させ得るチップ形状の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば青色系の半導体発光素子は、図３にその発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップという）の一例の斜視図および平面の説明図が示されるように、サファイアからなる絶縁性の基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されて形成される。すなわち、ウェハ状のサファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とが積層され、その表面のｐ形層２５に電気的に接続してｐ側（上部）電極２８が、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出するｎ形層２３と電気的に接続してｎ側（下部）電極２９がそれぞれ各チップごとに設けられる。そして各チップに切断分離することにより、ＬＥＤチップが形成されている。
【０００３】
このＬＥＤチップへの切断分離は、サファイア基板があるため劈開をすることができず、サファイア基板の裏面からダイヤモンドペンにより線を入れて割る方法により行われている。そしてその切断線は碁盤の目状に縦横が直角方向に切断され、図３に示されるように、平面形状で正方形または長方形に形成されている。このようにして形成されたＬＥＤチップのｐ側電極２８およびｎ側電極２９は、四角形の対角線方向に対向する２つの角部にそれぞれ設けられている。この両電極に順方向の電圧が印加されることにより、電流はｐ側電極２８からｐ形層２５に広がりながら活性層２４を通ってｎ形層２３に進み、ｎ形層２３からｎ側電極２９に向かって流れる。この電流経路の活性層２４部でキャリアが再結合して発光する。なお、ｐ形層２５での電流を充分に広げてｐ形層２５の全体で電流が流れるようにするため、ｐ形層２５の表面側にＮｉ-Ａｕの合金層などからなる電流拡散層（図示せず）が設けられることがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ＬＥＤチップの外形形状が正方形または長方形の矩形形状であると、サファイア基板の縦横が必ずしもスムーズに割れて綺麗に切断分離されない。そのため、チップ間の切断分離をする境界部の幅を広く取る必要があり、１枚のウェハからチップの取れる個数が少なくなり、コストアップになるという問題がある。さらに、切断分離部の幅が広く設けられていても切断分離の際の割れ目が半導体積層部の活性層に延びることがある。活性層に切断分離の割れ目が延びると充分に発光せず、発光効率が低下するという問題がある。
【０００５】
また、矩形形状の対向する２つの角部に両電極が形成されると、電極が設けられない角部の方は、電流経路（図３（ｂ）のＢ参照）が両電極間の最短距離の電流経路（図３（ｂ）のＡ参照）より相当迂回することになる。一方、半導体層は電気抵抗を有し、その道程が大きくなると電気抵抗が大きくなる。とくにチッ化ガリウム系化合物半導体では、ＧａＡｓ系の化合物半導体に比べて半導体層の電気抵抗が大きいため、距離が大きくなると直列抵抗の増加が著しくなる。そのため、ＬＥＤチップの面内で、半導体層の直列抵抗の小さいところ、すなわちｐ側電極とｎ側電極との対向部で距離の短いところに電流が集中して流れ、前述の電極が設けられない角部の方（電流経路Ｂ）では電流が流れ難く、活性層を流れる電流もチップ内で不均一になる。その結果、電流が多く流れる部分の輝度が明るくなって、チップの面内で均一に発光しないという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ウェハからチップへの切断分離の分離幅を狭くしてチップの取れ数を多くすることができると共に、半導体層の電気抵抗が比較的大きいチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる半導体発光素子においても、チップの面内での電流が均一化し、全体で均一に発光する半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、絶縁性基板と、該絶縁性基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面側の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第１の電極と、前記半導体積層部の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して設けられる第２の電極とから発光素子チップがなり、該発光素子チップの平面形状が、２等辺３角形状で、該２等辺３角形状の底辺側に該底辺に沿って前記第１の電極が設けられ、かつ、前記２等辺３角形の頂点の角部に前記第２の電極が形成されている。
【０００８】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。また、第１導電形および第２導電形とは、半導体の導電形のｎ形およびｐ形のいずれか一方を第１導電形としたとき、他方のｐ形またはｎ形が第２導電形であることを意味する。
【０００９】
この構造にすることにより、サファイア基板が６０゜の角度で割れ易いという性質を有しているため、綺麗に割れやすく、切断幅を狭くすることができる。また、ひし形もしくは３角形状で、鋭角の角部に第２の電極が設けられることにより、電極間の経路の迂回する場所が狭められ、極端に道程が大きくなる経路ができず、均一に電流が流れやすい。
【００１０】
前記エッチングにより除去されずに残存する半導体積層部の第１導電形の半導体層と前記第２の電極との平面形状で対向する部分が互いに平行になるように前記半導体積層部のエッチングおよび前記第２の電極の形成がなされていることが、第１導電形層のエッチング端部の真下の第２導電形半導体層から第２の電極に至る距離はどこでも等しく、第１導電形の半導体層に広がった電流が第２導電形の半導体層に進む場合に、第２導電形の半導体層の一部に電流が集中しないで全体に広がって流れるため好ましい。
【００１１】
前記前記底辺に沿って設けられる第１の電極は、中心部が広く前記底辺の端部側に延びる部分が細い帯状の電極として形成されるのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図１には、たとえば青色系の発光に適するチッ化ガリウム系化合物半導体が積層された本発明の半導体発光素子のチップの断面および平面の説明図が示されている。
【００１３】
本発明の半導体発光素子は、たとえば図１に示されるように、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）などからなる絶縁性基板１の表面に発光層を形成する半導体積層部１０が形成されて、その表面側の第１導電形の半導体層（ｐ形層５）にｐ側電極（第１の電極）８が電気的に接続されている。また、半導体積層部１０の一部が除去されて露出した第２導電形の半導体層（ｎ形層３）に電気的に接続されるようにｎ側電極（第２の電極）９が形成されている。本発明では、図１（ｂ）に平面図（（ａ）と縮尺は同じではない）が示されるように、ＬＥＤチップの平面形状の外形がひし形形状に形成されており、ひし形の対向する鋭角の角部にｐ側電極８およびｎ側電極９が設けられていることに特徴がある。その結果、ｐ側電極８とｎ側電極９とを結ぶ方向は縦方向に延び、両電極を結ぶ方向（電流経路Ａ）と直角方向の幅Ｃは狭く形成され、電流経路Ａが場所によって極端に長くなることはない。
【００１４】
このような形状のＬＥＤチップを形成するには、サファイア基板１のウェハ上に半導体層を積層して半導体積層部１０を形成した後に、その表面にレジスト膜などを設けて、ひし形形状のパターンが形成されたマスクとし、エッチングをすることにより、図１（ｂ）に示されるようにｎ形層３を露出させることができる。そして電極８、９が設けられた後にウェハの絶縁性基板１の裏面から半導体積層部１０のエッチングされたパターンに沿ってダイヤモンドペンにより線を入れ、割ることにより得られる。このパターン形成の形状および切断のための線を入れる場所が従来と異なるが、その他の切断分離方法は従来と同様である。このひし形の鋭角は、たとえば６０°程度で、ウェハのオリフラに対して６０°の角度で切断することにより切断分離が狭い範囲で綺麗に行われる。
【００１５】
図１に示される例では、（ｂ）に平面図が示されるように、ｎ側電極９を形成するために積層された半導体層の一部がエッチングされて残存する半導体積層部１０のエッチング端部１０ａとｎ側電極９の前記端部１０ａとの対向部分も、平面形状で平行になるように半導体積層部のエッチング端部１０ａおよびｎ側電極９の形状が形成されている。その結果、ｐ形層５のｎ側電極９に最も近いエッチング端部１０ａとｎ側電極９との距離もその対向部分のどこにおいても等しくなっている。このエッチング端部１０ａとｎ側電極９の形状の対向部を等距離にするには、半導体積層部１０のエッチングの際のレジスト膜などのマスクのパターニング、およびｎ側電極９を形成するためのマスクのパターニングをエッチング端部１０ａとｎ側電極９の対向部分が相互に平行（相似形）になるように行うことにより簡単に形成される。
【００１６】
半導体積層部１０は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層、クラッド層となるｎ形のＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体の積層構造からなるｎ形層３、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４、およびｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層および／またはＧａＮ層からなるｐ形層（クラッド層）５が、基板１上にそれぞれ順次積層されることにより構成されている。
【００１７】
この半導体発光素子を製造するには、たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、反応ガスおよび必要なドーパントガスを導入してｎ形層３を１〜５μｍ程度、活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度、およびｐ形層５を０.２〜１μｍ程度、それぞれエピタキシャル成長する。その後、表面にレジスト膜を設け、パターニングをして塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより、積層された半導体層の一部を図１に示されるように除去する。この際、図１（ｂ）に示されるように、平面的に見てエッチング端部１０ａとｎ側電極９との距離が、その対向部において等しくなるように形成するに場合には、このエッチングの際のマスクの形状がｎ側電極９の対向部分と相互に平行になるようにレジスト膜のパターニングをすることにより得られる。その後、たとえばリフトオフ法により、ＴｉとＡｕとを積層して両金属の積層構造からなるｐ側電極８を形成する。また同様に、たとえばリフトオフ法により、ＴｉとＡｌをそれぞれ積層してシンターすることにより両金属の合金層からなるｎ側電極９を形成する。このｎ側電極９の形成の際のマスクをエッチング端部１０ａの対向部と平面形状で平行になるように形成することにより、前述のように相互に等距離に形成される。その結果、図１に示される構造の半導体発光素子が得られる。
【００１８】
本発明の半導体発光素子によれば、ＬＥＤチップの平面形状がひし形になっているため、ウェハから各チップに切断分離する際に、切断線に沿って真っ直ぐに切断しやすい。そのため、絶縁性基板にダイヤモンドペンで線を入れて割るときに、割れ目が横の方に延びないで狭い範囲で割ることができる。その結果、チップ間を狭くすることができ、１枚のウェハから多くのチップを取ることができ、チップの取れ数を向上させることができる。
【００１９】
一方、ｐ側電極８およびｎ側電極９がそれぞれひし形の鋭角の角部に設けられているため、ｐ側電極８から供給される電流は、ｐ形層５、活性層４、およびｎ形層３を経てｎ側電極９に向かって流れるが、その距離が全体的に長く、幅方向は狭い電流経路となる。そのため、両電極の最短距離より大きく迂回する経路が少なく、チップ全体で電流経路の長さはそれ程差がないと共に、チップの端部から全体を電流が流れ易い。したがって抵抗の小さいところに電流が集中して輝度にバラツキが生じたり、部分的に半導体層が劣化することもなく、チップの全体で明るく発光する。その結果、発光効率も向上し、高特性で信頼性の高い半導体発光素子が得られる。
【００２０】
なお、積層された半導体層の一部がエッチングされて残存する半導体積層部１０のエッチング端部１０ａと、ｎ側電極９とがその平面形状での対向部において平行（等距離）になるように形成されていることにより、ｐ形層に広がった電流がｎ形層に達した後、ｎ側電極９に至る経路は、半導体積層部１０のエッチング端部１０ａからｎ側電極９を見る距離はエッチング端部１０ａのどの部分でも同じになる。そのため、ｐ側電極８からｎ側電極９への電流経路は端部１０ａのどの部分を経由してもエッチング端部１０ａの下部のｎ形層３からｎ側電極９に至る電気抵抗は同じになる。その結果、ｐ形層５から活性層４を経てｎ形層３に至る電流の経路は、ｎ形層３の一部に集中しないで、均等に分散して流れる。その結果、活性層４に分散して電流が流れ、ＬＥＤチップの全面で均等に発光し発光ムラがなくなり易くなる。このエッチング端部１０ａの形状とｎ側電極９の形状を対向部分において平行にすることは、とくに後述する電流拡散層が設けられる場合にｐ形層に電流が広がりやすいためその効果が大きい。
【００２１】
本発明は、以上のように、ＬＥＤチップがひし形形状に形成されているため、ウェハから各チップに切断分離する場合に割れ目が横に延びないで真っ直ぐ切断し易い。しかし、このひし形形状をさらに２つに分割して、図２に平面形状図が示されるように、３角形状にしても同様に狭い境界部で分離をし易い。この３角形状にしても、その頂点となる角部にｎ側電極９が設けられ、その対向部にｐ側電極８が設けられることにより、電流経路の幅が狭く、どの部分も電気抵抗がそれ程変わらず、チップ全体をｎ側電極８に流れ込むように電流経路が形成される。この場合、ｐ側電極は図２に示されるように、ｎ側電極９と対向する辺に沿って長く形成されると一層チップの全面に均一に電流経路が形成される。このような３角形状に形成されると、赤、緑、青の３色の発光素子を設けてカラー発光させる場合にその配置を近付けることができ、小型のカラー用発光素子とすることもできる。
【００２２】
また、図１に示される例では、ｐ形層５上に直接ｐ側電極８が設けられていたが、電流拡散層を介してｐ側電極が設けられていてもよい。電流拡散層は、たとえばＮｉおよびＡｕがそれぞれ真空蒸着などにより積層されてシンターされることにより合金化され、２〜１００ｎｍ程度の厚さに形成されるもので、活性層４で発光する光を透過させると共に電気抵抗が小さく電流を拡散させる作用をする。この場合、光の透過と電気抵抗とは相反関係にあり、電気抵抗を無視できるほど完全に小さくすることができない（電気抵抗を小さくするため電流拡散層を厚くすると、光を透過しなくなる）。しかし、電流拡散層が設けられることにより、ある程度は電流拡散層を介して電流が拡散するため、ｐ形層５での電流の拡散が得られる。この場合、ｐ形層５のエッチング端部１０ａとｎ側電極９との距離が等距離になるように半導体積層部１０がエッチングされることにより、一層ｎ形層での電流の集中を防ぐことができる。
【００２３】
なお、図１に示される例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造の半導体発光素子でも同様である。また、積層される半導体層の材料も一例であって、その材料には限定されないが、チッ化ガリウム系化合物半導体の場合にその電気抵抗が大きいため、効果が大きい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、１枚のウェハからのチップの取れ数が多くなり、コストダウンに寄与する。また、発光素子チップ内の全体で電流分布が均一になるため、均一な発光をし、発光効率が向上する。さらに、電流が部分的に集中しないため、部分的に半導体層が劣化して寿命を短くしたり、不良に至らしめることがない。その結果、発光効率が低下しやすいチッ化ガリウム系化合物半導体においても、高特性で、高信頼性の半導体発光素子が安価に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面および平面説明図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の平面説明図である。
【図３】従来の半導体発光素子の一例の斜視および平面パターンの説明図である。
【符号の説明】
１絶縁性基板
３ｎ形層
５ｐ形層
８ｐ側電極
９ｎ側電極
１０半導体積層部

Claims

絶縁性基板と、該絶縁性基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面側の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第１の電極と、前記半導体積層部の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して設けられる第２の電極とから発光素子チップがなり、該発光素子チップの平面形状が、２等辺３角形状で、該２等辺３角形状の底辺側に該底辺に沿って前記第１の電極が設けられ、かつ、前記２等辺３角形の頂点の角部に前記第２の電極が形成されてなる半導体発光素子。
前記エッチングにより除去されずに残存する半導体積層部の第１導電形の半導体層と前記第２の電極との平面形状で対向する部分が互いに平行になるように前記半導体積層部のエッチングおよび前記第２の電極の形成がなされてなる請求項１記載の半導体発光素子。
前記底辺に沿って設けられる第１の電極は、中心部が広く前記底辺の端部側に延びる部分が細い帯状の電極として形成されてなる請求項１または２記載の半導体発光素子。