JP3787207B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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【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、基板上に半導体層が積層され、その表面側の第1導電形の半導体層と、積層された半導体層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それぞれ電極が設けられる半導体発光素子における、発光素子チップの面内での発光の均一性の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
たとえば青色系の半導体発光素子は、図3(a)にその発光素子チップ(以下、LEDチップという)の一例の概略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、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したn形層23の表面にn側(下部)電極29が設けられることによりLEDチップが形成されている。
【0003】
この構造のLEDチップのp側電極28およびn側電極29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】
一方、前述のp側電極28とn側電極29の平面形状は、一般には図3(b)〜(c)に示されるような円形または矩形の形状に形成されている。そのため、p側電極28とn側電極29との対向部分は、その外周が互いに離反する形状になっており、平面的に見た電流経路は、たとえばAとBとで示されるように、場所によってp側電極28からn側電極29に至る距離が異なる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、電流経路により電極間で距離が異なると、距離の大きい所ではその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。このチッ化ガリウム系化合物半導体層の抵抗の増加は、ドーパントが充分にドーピングされないp形層で顕著であるが、n形層においてもGaAs系化合物半導体に比較すると大きい。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28とn側電極29との対向部で距離の短いところがあると、そこに電流が集中して流れ、活性層を流れる電流もLEDチップの面内で不均一になって、均一に発光しないという問題がある。
【0006】
前述のように、p形層の表面に電流拡散層が設けられることにより、両電極間の距離に拘らず抵抗の小さい電流拡散層を介してp形層の全体に広がりやすい。しかし、電流拡散層はその表面から光が取り出されるため、光を透過させる必要があり、光を透過させようとすると電気抵抗を充分に下げることができず、電気抵抗を充分に下げようとすると光が遮断されて、結局外部に光を取り出し得る割合の外部発光効率が低下する。さらに前述のn形層の電気抵抗についてはその厚さを厚くすることにより、直列抵抗を下げることができるが、チッ化ガリウム系化合物半導体層を厚くエピタキシャル成長するには非常に時間がかかり、コストアップの原因になると共に、完全に直列抵抗をなくすることができない。そのため、前述のように、p側電極およびn側電極の対向する部分の距離が異なっていると、LEDチップの面内で均一に発光しないという問題がある。
【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、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、LEDチップの面内での電流が均一になり、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。
【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の電極とからなり、前記第1および第2の電極が、平面形状が四角形状の発光素子チップの対角線上で対向する2隅にそれぞれ設けられ、かつ、平面形状で前記第1の電極の前記第2の電極と対向する部分の形状が平行移動した形状を有するように前記第2の電極が形成されると共に、前記対角線に関して対称になり、さらに前記第2の電極が平面形状で円形になるように前記第1および第2の電極が形成されている。
【0009】
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、半導体の極性の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。
【0010】
この構造にすることにより、p側電極とn側電極との対向部分の距離がその電極の対向部分の場所に拘らず一定となり、両電極間の電流経路の長さは場所によって変化せず、電気抵抗も等しくなって、面内で均一に発光する。
【0011】
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導電形の半導体層および前記第2の電極の平面形状で対向する部分が同心円状の円弧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、かつ、前記半導体積層部の表面側に電流拡散層が設けられていることが、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。前記半導体積層部の表面側に電流拡散層が設けられていることにより、第1導電形の半導体層への電流拡散が行われやすい。
【0012】
具体的には、前記第1の電極の平面形状が、前記第2の電極と対向する側に凹曲線を有する角型形状または三角形状に形成される
【0013】
【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。
【0014】
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(Al2 3 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が電気的に接続して形成されている。本発明では、図1(b)に平面図が示されるように、p側電極8と、n側電極9との対向部分が、平面形状で平行になるように両電極8、9が形成さ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との距離はその対向部分のどこにおいても等しくなっている(A=C)。
【0015】
このようなp側電極8およびn側電極9の形状は、電極金属を蒸着などにより成膜した後にレジスト膜を設けてパターニングをするか、予めレジスト膜を設けておいてパターニングをした後に電極金属を蒸着するリフトオフ法により所望のパターン形状に形成されるが、いずれの方法においてもマスクとするレジスト膜のパターニング形状により所望の形状が得られる。そのため、マスクのパターニングだけで図1に示されるように、両電極8、9の対向する部分が相互に平行になるように、それぞれの電極8、9の形状が形成される。
【0016】
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のエッチングされたエッチング端部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を前述の電極の形成と同様に平行(相似形状)になるようにパターニングをすることにより簡単に形成される。
【0017】
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。
【0018】
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、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の形状と対向部において平行(相似形)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p側電極8およびn側電極9の形成の際に、前述のように、相互の対向部の平面形状が平行になるようにマスクのパターニングを行う。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。
【0019】
本発明の半導体発光素子においては、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。この電流の経路は、電気抵抗の小さいところを通って流れる。しかし、p側電極8とn側電極9との対向する部分は、どこでもその距離が等しいため、電気抵抗もほぼ等しく、電流が一様に広がる。なお、両電極が対向する部分より離れた角部の方は距離が長くなり、電気抵抗も大きくなって、中心部より電流が減るものの、両側が同じ形状で両側の輝度の低下は同程度でありアンバランスの程度は余り目立たないと共に、抵抗が小さくて電流が集中するという現象は生じない。そのため、部分的に電流が集中して半導体層が劣化したり、部分的に輝度が明るい不均一な発光をしないで、LEDチップの全面で均等に発光する。
【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とは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への電流経路はエッチング端部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、p側電極8とn側電極9との対向部分の平面的距離が等しくなるように形成されているもので、その対向部分の形状には限定されない。すなわち、図2に示されるように、直線形状で対向する部分が平行に形成されていてもよい。また、前述の円弧以外の曲線形状でも、平面形状的にその対向部分が平行で等距離に形成されればよい。なお、図2において図1と同じ部分には同じ符号を付してある。
【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(図示せず)を介してp側電極が設けられていても、p側電極8とn側電極9とが対向する部分において平行になっておれば同様の効果が得られる。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必要がある。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からである。この場合、p形層のエッチング端部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9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、発光素子チップ内の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く、寿命が短くなり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 基板
3 n形層
5 p形層
8 p側電極
9 n側電極
10 半導体積層部

Claims (3)

  1. 基板と、該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の電極とからなり、前記第1および第2の電極が、平面形状が四角形状の発光素子チップの対角線上で対向する2隅にそれぞれ設けられ、かつ、平面形状で前記第1の電極の前記第2の電極と対向する部分の形状が平行移動した形状を有するように前記第2の電極が形成されると共に、前記対角線に関して対称になり、さらに前記第2の電極が平面形状で円形になるように前記第1および第2の電極が形成されてなる半導体発光素子。
  2. 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導電形の半導体層および前記第2の電極の平面形状で対向する部分が同心円状の円弧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、かつ、前記半導体積層部の表面側に電流拡散層が設けられてなる請求項1記載の半導体発光素子。
  3. 前記第1の電極の平面形状が、前記第2の電極と対向する側に凹曲線を有する角型形状または三角形状に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。
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