JP3934730B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光面積を大きくして輝度を大きくする半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、たとえば青色系の発光素子などに用いられるチッ化ガリウム系化合物半導体のように、半導体層の抵抗が大きい半導体が用いられる場合に輝度を向上させ得る半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、青色系の光を発光する半導体発光素子のチップ(以下、LEDチップという)は、たとえば図4に示されるような構造になっている。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側電極29が設けられることにより、LEDチップ20が形成されている。なお、p側電極28からの電流をLEDチップの全体に広げるために、p形層25の表面に光を通す薄い金属膜からなる電流拡散層が設けられることがある。
【0003】
このLEDチップは、p側電極とn側電極との間に順方向の電圧が印加されることにより、その活性層にキャリアの閉込めが生じ発光する。この発光量は電流を多くしてキャリアの閉込め量を多くすることにより大きな輝度で発光する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような青色系の半導体発光素子に用いられるチッ化ガリウムのような半導体材料は、ドーパントのドーピングが充分に行われず、その直列抵抗が大きくなりやすい。とくにp形のドーパントはドーパントとして充分に作用せず、熱損失が発生しやすい。そのため、電圧を高くしてもある値を超えると輝度が充分に上らず、発熱による半導体層の劣化などの信頼性上の問題が発生する。
【0005】
一方、LEDチップの面積を大きくして広い範囲で発光させようとすると、前述のように、とくにp形層のドーパント作用が充分ではないため、電流が充分にLEDチップの全体に広がらない。しかし、表面側から光を取り出すため、光を遮断する電極を全面に設けることができず、電流拡散層を設けるだけでは、電流分布が不均一になって発光分布も不均一になり、充分に輝度の向上を図れない。また、LEDチップを複数個マウントし、並列に接続して動作させようとすると、マウントが複雑になり、組立工数が増加すると共に、前述のようなサファイア基板が用いられる場合にはそのチップへの切断分離が大変であるのに切断分離したチップを複数個並べてマウントするのはムダで、コストアップになるという問題がある。
【0006】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、ドーパントの作用が充分でなく直列抵抗の大きい半導体層が用いられる半導体発光素子においてもチップ面積を大きくして輝度を上げ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。
【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、四角形状の基板と、該基板上に第1導電形層および第2導電形層が積層され発光層を形成する発光層形成部と、該発光層形成部の上層側に設けられる第1導電形層および前記発光層形成部の下層側に設けられる第2導電形層にそれぞれ電気的に接続して設けられる電極とからなる発光素子チップを有し、前記発光素子チップのほぼ中心部を通る十字状溝により前記第1導電形層が4分割されると共に、前記第2導電形層が連続して形成され、前記発光素子のほぼ中心部で前記発光層形成部の一部がエッチングにより除去されて露出する前記第2導電形層上に第2の電極が形成され、前記4分割された第1導電形層のそれぞれと電気的に接続して、かつ、前記中心部から一番遠い角部に第1の電極が形成され、全体として1つの発光色で均一に発光し得る構造である。
【0008】
このようにすることにより、チップ面積が大きくなって電流の拡散が充分に行われにくい場合でも、電極が複数個設けられるため発光層形成部の全体に電流が流れ、チップ面積の全体で均一に発光して、複数個のチップが並列接続されたのと同様に輝度が向上する。しかも1チップであるため、組立ても非常に簡単に行われる。
【0009】
本発明の半導体発光素子の他の形態は、四角形状の基板と、該基板上に第1導電形層および第2導電形層が積層され発光層を形成する発光層形成部と、該発光層形成部の上層側に設けられる第1導電形層および前記発光層形成部の下層側に設けられる第2導電形層にそれぞれ電気的に接続して設けられる電極とからなる発光素子チップを有し、前記発光素子チップのほぼ中心部を通る十字状溝により前記第1導電形層が4分割されると共に、前記第2導電形層が連続して形成され、前記発光素子チップの周縁部の全周に前記発光層形成部の一部がエッチングにより除去されて露出する前記第2導電形層上に第2の電極が形成され、前記4分割された第1導電形層のそれぞれと電気的に接続して、かつ、前記中心部に一番近い角部に第1の電極が形成され、全体として1つの発光色で均一に発光し得る構造である。
また、前記4分割された第1導電形層に電気的に接続して設けられる第1の電極が、それぞれ独立して電源に接続し得るように形成されていることが好ましい。そうすることにより、各電極ごとに独立して電圧を供給することができ、発光層形成部が対応する電極ごとに分割されていなくても、抵抗が小さいところに電流が集中するということがなく、全体で均一に発光し輝度が向上しやすい。
【0010】
ここに複数個の電極が独立して設けられるとは、チップの状態で配線などにより接続されていないことを意味し、ワイヤボンディングなどにより並列に接続されることは構わない。
【0011】
前記発光層形成部がチッ化ガリウム系化合物半導体からなり、前記第1導電形層がp形層であれば、p側電極が複数個設けられることにより、とくにドーパントが作用しにくいチッ化ガリウム系化合物半導体のp形層の全体に電流を流しやすくなり、高輝度の発光に寄与する。
【0012】
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。
【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、青色系の発光に適したチッ化ガリウム系化合物半導体層をサファイア基板上に積層された本発明の半導体発光素子の一実施形態の1チップの状態の斜視説明図が示されている。
【0014】
本発明の半導体発光素子は、図1に示されるように、たとえばサファイア(Al2 O3 単結晶)などからなる基板1上に第1導電形層(p形層)5および第2導電形層(n形層)3が積層され発光層を形成する発光層形成部10と、該発光層形成部10の第1導電形層(p形層)5および第2導電形層(n形層)3にそれぞれ電気的に接続して設けられる電極(p側電極8およびn側電極9)とからLEDチップが形成されている。そして、前記電極の少なくともp形層5に接続されるp側電極8(第1の電極)は、p形層5の異なる場所に接続されるように複数個設けられると共に、前記発光層形成部10が、前記複数個設けられるp側電極8に対応するブロックに分割されてている。この複数個の電極8は、絶縁膜などを介した配線により接続されていてもよい。
【0015】
ここに第1導電形層や第2導電形層に電気的に接続されるとは、直接第1導電形層や第2導電形層に電極が設けられる場合のみではなく、図1に示されるように薄い金属層からなる電流拡散層7を介して電極が設けられたり、その導電形と同じ導電形の他の半導体層(たとえばp形層5上に設けられるp形ウインドウ層(図示せず)や、n形層3側に設けられるバッファ層(図示せず)や導電性基板からなる基板など)が発光層形成部の上下に設けられてその半導体層などを介して設けられる場合も含む意味である。
【0016】
図1に示される例では、1チップの一辺の長さがたとえば720μm程度と通常の青色系のLEDチップの2倍程度(面積で4倍程度)に大きく形成されると共に、発光層形成部10がn形層3に至るまでのエッチングにより、4つのブロック11、12、13、14に分割されている。この4つのブロック11〜14は基板1およびn形層3により連結されており、全体で1チップになっている。そして、それぞれのブロックのp形層5上に薄い金属膜からなる電流拡散層7を介してp側電極8が設けられると共に、LEDチップの中心部で4つのブロックに跨がるように発光層形成部10がエッチングされてn形層3を露出させ、その露出するn形層3にn側電極9が形成されている。すなわち、n側電極9は4つのブロックに共通して1個設けられており、p側電極8は4つのブロック11〜14のそれぞれに設けられている。なお、電流拡散層7は設けられなくてもよいし、各ブロックのp側電極8は絶縁膜を介した配線により連結されていてもよい。
【0017】
発光層形成部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、サファイア(Al2 O3 単結晶)などからなる基板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。ついで、NiおよびAuを蒸着してシンターすることにより、メタル層などからなる電流拡散層7を2〜100nm程度形成する。
【0019】
その後、電流拡散層7の表面にレジスト膜などを設けてパターニングをし、電流拡散層7および積層された半導体層3〜5(発光層形成部10)の一部をエッチングして図1に示されるように、LEDチップの中心部およびチップの周縁部と、たとえば4つのブロックに分割するための十字の溝が形成されるようにn形層3を露出させる。このエッチングは、塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより行うことができる。この周縁部をエッチングするのは、各チップへのブレークを容易にするためのもので、中心部のエッチングはn側電極9を設けるためのものである。この中心部の露出したn形層3の表面に、n側電極9の形成のための金属のTiおよびAlをそれぞれ0.1μm程度と0.3μm程度づつ真空蒸着などにより成膜してシンターし、さらにp側電極8のために図示しないSiNなどの保護膜の一部を除去してTiとAuをそれぞれ真空蒸着して積層することにより、上部電極8および下部電極9を形成する。
【0020】
本発明によれば、半導体層でドーパントが作用をしにくく抵抗が大きい場合でも、その半導体層側に接続される電極が1チップ内で複数個設けられると共に、発光層形成部10もその電極8に対応して分割されているため、チップ全体に電流を広げやすい。すなわち、たとえばチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる青色系の半導体発光素子では、とくにp形層でドーパントの作用が弱く、充分にキャリア濃度を上げることができないこと、p形層は発光面側に設けられるため、光の吸収を抑えるためからも厚く形成できないことなどのため電流の拡散が充分に行われないが、本発明の複数個の電極が設けられることにより、LEDチップの全体に効率的に電流を拡散させることができる。しかも、発光層形成部10も分割されているため、小さいチップが集合したのと同様で、全体に電流が広がりやすい。一方、n形層では、比較的ドーパントが入りやすいことと、厚くしやすいことのため、余り半導体層の抵抗が問題にならず、図1に示されるように、n形層に接続されるn側電極9は1チップ内で1個にすることにより、電極面積を節約することができ、別々のLEDチップを寄せ集めるより表面積を効率的に利用することができる。その結果、チップの全体で均一に発光し、チップ面積を大きくすることにより、輝度を高くすることができる。
【0021】
なお、p側電極8は全て、または複数個を連結して電源側に接続することもできるし、それぞれ別々に独立させて別個の電源に接続させることもできる。別個の電源に接続すれば、発光層のブロックのどれかに抵抗の小さいのがあっても、そこに電流が集中することがなく、一層発光が均一化されて輝度が向上する。
【0022】
図1に示される例では、p側電極8が設けられるブロックごとに発光層形成部10が分割されると共に、LEDチップの中心部にn側電極9が設けられている。この構成にすることにより、n側電極9を小さい面積で形成しながらLEDチップ内全面に均一に電流を流すのに都合がよいが、図2に示されるように、LEDチップの周縁部にn側電極9が設けられてもよい。前述のように、LEDチップの周縁部には、チップへのブレークを容易にするためのエッチングがなされてn形層3が露出しているため、その幅を少し広くするだけでn側電極9を形成することができ、表面積を殆ど減すことなくn側電極9が形成される。なお、この場合、各ブロックごとにn側電極9およびp側電極8が離れた位置で対応するように設けられる方が電流が広がりやすいため、図2に示されるようにp側電極8はLEDチップの中心部で、分割された各ブロックごとに設けられることが好ましい。この場合も前述と同様に、チップ面積が大きくなっても部分的に電流が集中することがなく、均一で高輝度の発光をさせることができる。なお、図1と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【0023】
図1〜2に示される例では、p側電極が複数個設けられ、そのp側電極に応じて発光層形成部10が分割されていたが、図3に示されるように、発光層形成部10は分割されないで、積層された半導体層の表面または電流拡散層などを介して点在的に複数個の電極が設けられてもよい。この構造にすれば電極から離れて電流が流れにくくなる部分に別の電極が設けられることになり、広いチップ内で均等に電流を流すことができる。さらに、p側電極の各々を並列に接続しないで、別々に電圧を印加させることにより、半導体層の一部に抵抗の低いところがあってもその部分に電流が集中することなくチップ内に全体に亘って電流を流すことができる。なお、図3において図1〜2と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【0024】
なお、前述の各例は、半導体層をチッ化ガリウム系化合物半導体が発光層形成部として用いられる例であったが、チッ化ガリウム系化合物半導体は半導体層の抵抗が大きいため効果が大きい。しかし、他の半導体層が用いられる半導体発光素子にも適用できる。さらに、発光層形成部としてn形層とp形層とにより活性層が挟持されるダブルヘテロ接合構造であったが、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。
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、電極が複数個設けられることにより、電流を充分に拡散させることができるため、チップ面積を大きくすることができ、高輝度の発光素子を得ることができる。
【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斜視説明図である。
【図2】図1の半導体発光素子の変形例を示す斜視説明図である。
【図3】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の斜視説明図である。
【図4】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
【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 発光層形成部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device that increases the luminance by increasing the light emitting area. More specifically, the present invention relates to a semiconductor light emitting device capable of improving luminance when a semiconductor having a large resistance of a semiconductor layer is used, such as a gallium nitride compound semiconductor used for a blue light emitting device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a chip of a semiconductor light emitting element that emits blue light (hereinafter referred to as an LED chip) has a structure as shown in FIG. That is, an n-type layer (cladding layer) 23 in which, for example, n-type GaN is epitaxially grown on a wafer-
[0003]
In this LED chip, when a forward voltage is applied between the p-side electrode and the n-side electrode, carriers are confined in the active layer to emit light. The amount of emitted light is emitted with high luminance by increasing the current and increasing the amount of confinement of carriers.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
A semiconductor material such as gallium nitride used for the blue semiconductor light emitting element as described above is not sufficiently doped with dopant, and its series resistance tends to increase. In particular, a p-type dopant does not sufficiently function as a dopant, and heat loss is likely to occur. Therefore, even if the voltage is increased, if the value exceeds a certain value, the luminance is not sufficiently increased, and a problem in reliability such as deterioration of the semiconductor layer due to heat generation occurs.
[0005]
On the other hand, if the area of the LED chip is increased to emit light over a wide range, as described above, since the dopant action of the p-type layer is not sufficient, the current does not sufficiently spread over the entire LED chip. However, since light is extracted from the surface side, an electrode for blocking light cannot be provided on the entire surface, and merely providing a current diffusion layer results in non-uniform current distribution and non-uniform light emission distribution. The brightness cannot be improved. Also, mounting a plurality of LED chips and connecting them in parallel increases the mounting complexity, increases the number of assembly steps, and when a sapphire substrate as described above is used, Although it is difficult to cut and separate, mounting a plurality of chips separated and separated is wasteful and there is a problem that costs increase.
[0006]
The present invention has been made in view of such a situation, and semiconductor light-emitting that can increase the brightness by increasing the chip area even in a semiconductor light-emitting device in which a semiconductor layer having a large series resistance is used because the action of the dopant is not sufficient. An object is to provide an element.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor light emitting device according to the present invention includes a rectangular substrate, a light emitting layer forming portion in which a first conductive type layer and a second conductive type layer are laminated on the substrate to form a light emitting layer, and an upper layer of the light emitting layer forming portion. A light emitting element chip comprising a first conductive type layer provided on the side and an electrode electrically connected to a second conductive type layer provided on a lower layer side of the light emitting layer forming portion, and the light emitting element The first conductivity type layer is divided into four by a cruciform groove passing through substantially the center of the chip, and the second conductivity type layer is continuously formed, and the light emitting layer forming portion is formed substantially at the center of the light emitting element. A second electrode is formed on the second conductivity type layer exposed by being partially removed by etching, and electrically connected to each of the four first conductivity type layers ; and the first electrode is formed from the center to the farthest corners, Ru structure der capable of uniformly emitting a single luminescent color as the body.
[0008]
By doing so, even when the chip area is large and current diffusion is difficult to be performed sufficiently, since a plurality of electrodes are provided, current flows through the entire light emitting layer forming portion, and the entire chip area is uniform. It emits light, and the luminance is improved in the same way as a plurality of chips are connected in parallel. Moreover, since it is a single chip, it is very easy to assemble.
[0009]
Another embodiment of the semiconductor light emitting device of the present invention includes a rectangular substrate, a light emitting layer forming portion in which a first conductive type layer and a second conductive type layer are stacked on the substrate to form a light emitting layer, and the light emitting layer A light emitting element chip comprising a first conductivity type layer provided on the upper layer side of the formation part and an electrode provided in electrical connection with the second conductivity type layer provided on the lower layer side of the light emitting layer formation part; The first conductivity type layer is divided into four by a cross-shaped groove passing through substantially the center of the light emitting element chip, and the second conductivity type layer is continuously formed, and the entire periphery of the light emitting element chip is formed. A second electrode is formed on the second conductive type layer, which is exposed by removing a part of the light emitting layer forming portion by etching, and electrically connected to each of the four divided first conductive type layers. Connected and the first electrode at the corner closest to the center Is formed, Ru structure der capable of uniformly emitting a single luminescent color as a whole.
In addition, it is preferable that the first electrodes provided to be electrically connected to the four divided first conductivity type layers are formed so as to be independently connected to a power source. By doing so, it is possible to supply a voltage independently for each electrode, and even if the light emitting layer forming portion is not divided for each corresponding electrode, current does not concentrate at a place where the resistance is small. , It emits light uniformly throughout and tends to improve brightness.
[0010]
Here, a plurality of electrodes provided independently means that they are not connected by wiring or the like in a chip state, and may be connected in parallel by wire bonding or the like.
[0011]
If the light emitting layer forming portion is made of a gallium nitride compound semiconductor and the first conductivity type layer is a p-type layer, a plurality of p-side electrodes are provided. It becomes easy to pass an electric current through the whole p-type layer of a compound semiconductor, and contributes to high-intensity light emission .
[0012]
Here, the gallium nitride compound semiconductor is a compound in which a group III element Ga and a group V element N or a part of the group III element Ga is substituted with another group III element such as Al or In, and A semiconductor composed of a compound in which a part of N of the group V element is substituted with another group V element such as P or As.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective explanatory view of a one-chip state of an embodiment of a semiconductor light emitting device of the present invention in which a gallium nitride compound semiconductor layer suitable for blue light emission is stacked on a sapphire substrate. Yes.
[0014]
As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device of the present invention includes a first conductivity type layer (p-type layer) 5 and a second conductivity type layer on a
[0015]
Here, being electrically connected to the first conductivity type layer or the second conductivity type layer is not limited to the case where electrodes are directly provided on the first conductivity type layer or the second conductivity type layer, but is shown in FIG. Thus, an electrode is provided through the
[0016]
In the example shown in FIG. 1, the length of one side of one chip is, for example, about 720 μm, which is about twice as large as that of a normal blue LED chip (about four times in area), and the light emitting
[0017]
The light emitting
[0018]
In order to manufacture this semiconductor light emitting device, the reaction gas and the necessary dopant gas are introduced by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD method), the n-
[0019]
Thereafter, a resist film or the like is provided on the surface of the
[0020]
According to the present invention, even when the dopant hardly acts on the semiconductor layer and the resistance is large, a plurality of electrodes connected to the semiconductor layer side are provided in one chip, and the light emitting
[0021]
Note that all or a plurality of p-
[0022]
In the example shown in FIG. 1, the light emitting
[0023]
In the example shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of p-side electrodes are provided, and the light emitting
[0024]
In each of the above examples, a gallium nitride compound semiconductor is used as the light emitting layer forming portion of the semiconductor layer. However, the gallium nitride compound semiconductor has a large effect because the resistance of the semiconductor layer is large. However, the present invention can also be applied to a semiconductor light emitting device using other semiconductor layers. Further, although the active layer is sandwiched between the n-type layer and the p-type layer as the light emitting layer forming portion, a pn junction structure in which the n-type layer and the p-type layer are directly joined may be used. .
[0025]
【The invention's effect】
According to the present invention, by providing a plurality of electrodes, current can be sufficiently diffused, so that the chip area can be increased and a light-emitting element with high luminance can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory perspective view of one embodiment of a semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory perspective view showing a modification of the semiconductor light emitting device of FIG. 1;
FIG. 3 is a perspective explanatory view of another embodiment of the semiconductor light emitting device of the present invention.
FIG. 4 is a perspective explanatory view of an example of a conventional semiconductor light emitting element.
[Explanation of symbols]
1 substrate 3 n-type layer 5 p-type layer 8 p-side electrode 9 n-
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