JP3787206B2

JP3787206B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP3787206B2
Application number: JP1122297A
Authority: JP
Inventors: 範和伊藤; 俊次中田; 幸男尺田; 雅之園部; 毅筒井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2017-01-24
Also published as: JPH10209495A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に積層される半導体層の一方の導電形の半導体層に接続して電極が設けられ、その電極が設けられる側の面を発光面とする半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、発光面側に設けられる電極により発光する光が遮断されるのを極力抑制することができる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体発光素子は、基板上にｎ形層およびｐ形層が積層されて発光層を形成し、ｎ形層およびｐ形層にそれぞれ接続される両電極に電圧が印加されることにより発光する。通常の赤色系や緑色系のＧａＡｓ系やＧａＰ系の半導体が用いられる半導体発光素子は積層された半導体層の表面側の半導体層と基板の裏面側にそれぞれ両電極が設けられる。そして一般的には積層された半導体層の表面側を発光面として表面側から放射される光が利用される。
【０００３】
一方、青色系（紫外線から黄色）の発光素子は、たとえばサファイアなどかららなる絶縁性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、一般的には発光面側に両電極が形成される。この青色系の半導体発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップという）の基本構造は、たとえば図３に示されるような構造になっている。すなわち、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とからなり、その表面にＮｉ-Ａｕの合金層からなる電流拡散層２７を介してｐ側（上部）電極２８が設けられ、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の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられる。
【０００４】
このＬＥＤチップは、リードの端部または回路基板などにダイボンディングされ、各電極２８、２９とリードとの間に金線などをワイヤボンディングして外部から電源の供給が行われる。また、前述の基板の裏面側に一方の電極が設けられるＬＥＤチップも基板の裏面側の電極はＬＥＤチップのダイボンディングと共に接続されるが、表面側に設けられた他方の電極は、リードとの間に金線などがワイヤボンディングされる。そのため、これらの電極はワイヤボンディングに耐え、電気的接触が充分に得られるような厚さの金属膜からなり、電極が設けられた部分は光を透過させることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来の半導体発光素子は、光を取り出す発光面側に少なくとも一方の電極が設けられる場合が多く、この電極が設けられた部分は光を透過させることができない。そのため内部で発光した光を効果的に取り出すことができず、光の取出し面から得られる光の、入力に対する割合である外部発光効率が低下するという問題がある。
【０００６】
しかも、電極には前述のように、金線などがワイヤボンディングされ、電極はワイヤボンディングのボールの大きさだけあればよいのであるが、実際にはワイヤボンディング時の位置ズレなどを考慮する必要がある。たとえばワイヤボンディングのボールの大きさが、直径で３０μｍφ程度であるのに対して電極の大きさは５０μｍ角程度が必要であり、電極の面積はボールの大きさの３倍以上の面積で形成され、無駄な面積で光を遮断している。また、ボンディングの位置ズレのため以外にも、抵抗の大きい半導体層にできるだけ電流を拡散するために電極を大きめに形成する必要があり、電極の面積が発光に寄与する半導体層の面積の１／３程度になる。
【０００７】
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、発光面側に設けられる電極による光の遮断を極力抑制し、外部発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【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、基板と、該基板上に積層され第１および第２導電形の半導体層を含む半導体積層部と、前記半導体積層部上に設けられる電流拡散層と、該電流拡散層を介して前記半導体積層部の第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の電極とからなり、前記第１の電極が設けられる面から光を取り出す半導体発光素子であって、前記第１の電極が前記電流拡散層上の一部領域にワイヤボンディング用電極として設けられると共に、前記第１の電極に空隙部が設けられている。この構造にすることにより、電極はその面内に隙間を多く有し、ワイヤボンディングがなされないで電極のみが露出している部分は、その下の半導体層で発光する光を透過させることができる。
【０００９】
ここに電極に空隙部が設けられるとは、電極部分の全面に電極金属が連続的に設けられるのではなく、空隙部が網目状や、格子状や、リング状や、水玉状などの形状で設けられ、電極金属が面内で間欠的に設けられた状態を意味する。
【００１０】
前記半導体積層部がチッ化ガリウム系化合物半導体からなり、前記電流拡散層が前記半導体積層部の表面側に設けられる第１導電形の半導体層上に設けられ、前記第２の電極が前記半導体積層部の一部が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場合には、半導体層の抵抗値が大きく発光効率が低下し易い青色系の半導体発光素子の発光効率を向上させることができるため好ましい。
【００１１】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体層とは、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。
【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した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斜視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（ａ）に示されるように、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）などからなる基板１の表面に発光層を形成する半導体層２〜５が積層されて半導体積層部を形成し、その表面側の第１導電形の半導体層ｐ形層５）に電流拡散層７を介してｐ側電極（第１の電極）８が電気的に接続されるように設けられている。また、積層された半導体層３〜５の一部が除去されて露出する第２導電形の半導体層（ｎ形層３）にｎ側電極（第２の電極）９が電気的に接続されるように形成されている。本発明では、このｐ側電極８がその面全面に連続的に設けられるのではなく、たとえば図１（ｂ）に平面図で示されるような網目状の空隙部８ａが設けられ、電極金属８ｂが間欠的に形成されていることに特徴がある。
【００１４】
このｐ側電極８は、たとえばＴｉ／Ａｕの積層構造からなっており、それぞれがたとえば０.１〜０.３μｍ程度、および０.３〜０.５μｍ程度の厚さに設けられている。この網目状の空隙部８ａの幅Ａが１０〜２０μｍ程度で、電極金属８ｂの幅Ｂが１０〜２０μｍ程度に形成される。その結果、電極部の全体の面積に対して、電極金属８ｂの存在する部分（図でハッチングの付してある部分）の面積が６５〜７５％程度で、電極金属の存在しない空隙部８ａの面積が２５〜３５％程度となる。この電極金属８ｂ部分の面積は、この上にワイヤボンディングされる金属との接着が充分に得られる程度に設けられる必要があり、前述のように、ボンディング部の面積の６５〜７５％程度設けられることが好ましく、さらに好ましくは、７５〜８５％程度となるように電極金属８ｂ部分が空隙部８ａを介して存在するように設けられる。間欠的に設けられる電極金属８ｂの間に形成される空隙部８ａは、半導体層で発光した光を透過させるためのもので、その面積が大きいほど好ましいが、前述のワイヤボンディングにより電極金属８ｂとの充分な接着が得られるように、空隙部８ａの幅Ａが決定される。
【００１５】
この網目状にｐ側電極８を形成するには、たとえば電流拡散層７の全面にレジスト膜を設けて、ｐ側電極８を形成する部分が網目状になるようにパターニングする。その後、真空蒸着などにより、ＴｉおよびＡｕの電極金属を蒸着し、レジスト膜を除去することにより、パターニングによりレジスト膜が除去されていた部分のみに電極金属８ｂが付着し、それ以外の蒸着金属はレジスト膜と共に除去され、ｐ側電極８が形成される。電極金属を蒸着する前にパターニングをしたレジスト膜を設けるリフトオフ法ではなく、全面に電極金属を蒸着した後にレジスト膜を設けてパターニングをし、エッチングをしても同様に形成することができる。なお、この形状の電極の形成は、従来も電流拡散層上の一部に設けられるため、同様のレジスト膜によるパターニングを行っており、そのパターン形状を異ならせるだけで済み、何等の工数増を伴うことなく行うことができる。
【００１６】
電極金属８ｂが空隙部８ａを介して間欠的に設けられるｐ側電極８の形状は、図１に示される網目状でなくても、電極金属８ｂが設けられている部分と電極金属が設けられていない空隙部８ａとが交互になるような形状であればとくに制約されない。たとえば図２（ａ）〜（ｂ）に示されるように、空隙部８ａが格子状になるように電極金属８ｂが設けられたり、空隙部８ａがリング状に設けられてもよい。また、空隙部もしくは電極金属が水玉形状などの他の形状でもよい。要は、ワイヤボンディングされる金属が充分に接着されるように、電極金属部分の間隙が広がり過ぎず、かつ、光を透過させる空隙部の面積が適当に得られるように電極金属が間欠的に設けられておればよい。
【００１７】
積層される半導体層は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層２、クラッド層となる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、ｐ形の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）化合物半導体層５ａおよびＧａＮ層５ｂからなるｐ形層（クラッド層）５が、それぞれ順次積層されることにより構成されている。なお、この例ではｐ形層５はＡｌＧａＮ系化合物半導体層５ａとＧａＮ層５ｂとの複層になっているが、キャリアの閉じ込め効果の点からＡｌを含む層が設けられることが好ましいためで、ＧａＮ層だけでもよい。また、ｎ形層３にもＡｌＧａＮ系化合物半導体層を設けて複層にしてもよく、またこれらを他のチッ化ガリウム系化合物半導体層で形成することもできる。さらに、この例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持される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接合構造のものでもよい。
【００１８】
積層された半導体層の表面には、ＮｉおよびＡｕがそれぞれ蒸着されてシンターすることにより合金化された２〜１００ｎｍ程度の電流拡散層７が形成されている。この電流拡散層７はｐ形層５の全面に電流が広がって流れるように拡散させると共に、活性層４で発光した光を透過させるためのもので、薄く形成されており、直接ワイヤボンディングなどをすることができず、前述のようにワイヤボンディングをすることができる電極８がこの上に設けられている。
【００１９】
本発明の半導体発光素子によれば、光を取り出す側の面である発光面に電極が形成されている場合に、その電極が網目状、格子状またはリング状などの形状で電極金属が間欠的に設けられている。そのため、ワイヤボンディングなどの金属との接着はブリッジ状の電極金属により充分に得られると共に、電極の部分でワイヤボンディングがされない部分では電極金属の空隙部から光が放射される。その結果、従来ワイヤボンディングによるボンディング部より広い面積で形成しざるを得ない電極により光が完全に遮断されていたものが、ボンディングされていない電極部分からも光を放射することができて輝度の向上に寄与する。
【００２０】
また、本発明によれば、発光面側に設けられる電極を通して光を放射することができるため、従来の抵抗が大きく充分に電流を拡散させることができない電流拡散層上に広い範囲に亘って設けることにより、電流を充分に拡散させて発光効率を向上させることができる。
【００２１】
前述の例では、ｐ側電極のみについて網目状などの電極を設けたが、図１に示される例のように、発光面側にｐ側およびｎ側の両電極が設けられる場合には、ｎ側電極についても同様の構造にすることにより、発光効率が向上する。すなわち、図１に示される例では、ｎ側電極の下には発光層がなくｐ側電極ほど効果が大きくないが、基板側で反射した光の一部はｎ側電極の方からも放射されるため、同様の効果がある。
【００２２】
また、前述の例では、積層される半導体層がチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光素子であったが、チッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光素子は、その半導体層の抵抗が大きく、できるだけ電極を大きくした方が電流の拡散に寄与すると共に、赤色系の半導体発光素子より発光効率が低く、少しでも発光効率を向上させることが望まれるため、とくに効果が大きい。しかし、ＧａＡｓ系やＧａＰ系などの半導体による赤色系や緑色系などの発光素子でも、発光面側の電極が設けられる半導体発光素子においては、その発光面側の電極に網目状などの電極を用いることにより、発光効率を向上させることができる。
【００２３】
さらに、前述の例では、空隙部を介して間欠的に設けられる電極の外形が四角形状になっているが、その形状には限定されず、円形など他の形状でもよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、発光面側に電極が設けられている半導体発光素子において、その発光面側の外部に取り出し得る光の発光効率を向上させることができる。その結果、発光効率の低いチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子においても、発光効率を向上させることができ、同じ大きさのチップに対して輝度が向上する。また、同じ輝度の半導体発光素子を得るためにはそのチップの大きさを小さくすることができ、１枚のウェハからのチップの取れ数が向上し、コストダウンに寄与する。
【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説明図である。
【図２】図１のｐ側電極の形状の他の構造例の説明図である。
【図３】従来の半導体発光素子のＬＥＤチップの一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
１基板
３ｎ形層
５ｐ形層
８ｐ側電極
８ａ空隙部
９ｎ側電極

Claims

基板と、該基板上に積層され第１および第２導電形の半導体層を含む半導体積層部と、該半導体積層部上に設けられる電流拡散層と、該電流拡散層上に設けられ、前記半導体積層部の第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の電極とからなり、前記第１の電極が設けられる面から光を取り出す半導体発光素子であって、前記第１の電極が前記電流拡散層上の一部領域にワイヤボンディング用電極として設けられると共に、前記第１の電極に空隙部が設けられてなる半導体発光素子。
前記半導体積層部がチッ化ガリウム系化合物半導体からなり、前記電流拡散層が前記半導体積層部の表面側に設けられる第１導電形の半導体層上に設けられ、前記第２の電極が前記半導体積層部の一部が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てなる請求項１記載の半導体発光素子。