JP4122785B2

JP4122785B2 - 発光素子

Info

Publication number: JP4122785B2
Application number: JP2002021126A
Authority: JP
Inventors: 雅彦佐野; 真也園部; 修司塩路
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JP2003224297A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体を用いて構成された発光ダイオード（窒化物半導体発光ダイオード）が、主として青色発光ダイオードとして広く用いられるようになって来ている。この窒化物半導体発光ダイオードは、例えば、サファイア基板上にｎ型窒化物半導体層、ＩｎＧａＮなどからなる活性層及びｐ型窒化物半導体層を積層して、活性層及びｐ型窒化物半導体層の一部を除去して露出させたｎ型窒化物半導体層の上にｎ側のオーミック電極を形成し、ｐ型窒化物半導体層の上にｐ側のオーミック電極を形成することにより構成されている。また、この窒化物半導体発光ダイオードにおいては、ｎ型窒化物半導体層に比べてｐ型窒化物半導体層の抵抗値が高いために、ｐ側のオーミック電極はｐ型窒化物半導体層のほぼ全面に形成することにより電流を効率良く活性層全体に注入するように構成されている。
【０００３】
以上のように構成された窒化物半導体発光ダイオードにおいて、活性層において発光した光はサファイア基板が透光性を有することを利用して基板側から出射させることもできるし、ｐ側のオーミック電極を薄くして透光性を有するようにしてその透光性を有するｐ側のオーミック電極を介して出射させるように構成することもできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の窒化物半導体発光ダイオードは活性層において発光した光を効率よく外部に出射することができないという問題点があった。
そこで、本発明は活性層において発光した光を効率よく出射できる窒化物半導体発光ダイオードを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る発光素子は、基板上に、ｎ側の窒化物半導体層と活性層とｐ側の窒化物半導体層を順に有し、ｐ側の窒化物半導体層及び活性層の一部が除去されて露出されたｎ側の窒化物半導体層上にｎ側の電極を備え、上記ｐ側の窒化物半導体層上にそのｐ側の窒化物半導体層とオーミック接触するオーミック電極を備えた発光素子において、
反射構造を備え、その反射構造は、上記オーミック電極を透光性オーミック電極とし、上記オーミック電極と、該オーミック電極上に開口部を有しかつ、上記発光素子の全体を覆うように形成された透光性絶縁膜と、その透光性オーミック電極を透光性絶縁膜を介して覆うことにより上記開口部において上記オーミック電極と電気的に接続されかつ、上記透光性絶縁膜を介して上記オーミック電極上のみに形成された反射層と、により構成され、かつ上記反射層はＡｌ、Ａｇ及びＲｈからなる群から選択された１つからなることを特徴とする。
以上のように構成された本発明に係る発光素子は、上記反射層によって光を反射させて、所望の方向に光を効率よく出射させることができる。
【０００６】
上記発光素子は、上記ｐ側の半導体層としてｐ型窒化物半導体層からなるｐ型コンタクト層を含み、そのｐ型コンタクト層に上記透光性オーミック電極が形成されたものでもよい。
【０００７】
上記透光性絶縁膜は、反射率を高くするために、屈折率の低い材料であるＳｉＯ_２からなることが好ましい。
【０００８】
上記透光性絶縁膜の膜厚は、その絶縁膜を精度良くパターンニングするために、３μｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
上記反射層の膜厚は、０．０５μｍ〜１μｍの範囲に設定されたことが好ましい。
【００１０】
上記透光性絶縁膜は開口部を有し、その開口部を介して上記オーミック電極と上記反射層とが電気的に接続されていいてもよい。
このようにすると、上記反射層の表面にパッド電極を形成することができる。
この場合、上記パッド電極は上記開口部の上に位置することが好ましい。
また、上記発光素子は矩形であって、上記矩形の１つの隅部において、扇形にｎ側の窒化物半導体層が露出されていてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の窒化物半導体発光素子について説明する。
本発明に係る実施の形態１の窒化物半導体発光素子は、図１及び図２に示すように、例えば、サファイアからなる基板１０上に、バッファ層１１を介してｎ側の窒化物半導体層２０、活性層３０、ｐ側の窒化物半導体層４０を順次成長させ、ｎ側及びｐ側の電極を形成することにより構成されている。
ここで、本実施の形態の窒化物半導体発光素子では、特に、ｐ側の窒化物半導体層４０（ｐ型コンタクト層４２）上のほぼ全面に透光性のｐ側オーミック電極５３を形成し、さらにそのオーミック電極５３の上に絶縁膜２を介して覆うように、Ａｌ又はＡｇからなる反射層１を形成したことを特徴とし、これにより、ｐ側における反射率を向上させることを可能にし、基板側又は基板側面から出力される光の取り出し効率を向上させている。
尚、本実施の形態の窒化物半導体発光素子において、ｎ側の電極は従来と同様、ｐ側の窒化物半導体層４０及び活性層３０の一部を除去して露出させたｎ側の窒化物半導体層２０（ｎ型コンタクト層２１）上に形成している。
【００１２】
以下、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の構成及び製造方法について詳細に説明する。
本実施の形態において、窒化物半導体発光素子の半導体積層構造は、以下のように構成する。
すなわち、サファイア基板１０上に、
低温バッファ層であるＡｌＧａＮ層１１、
ＳｉドープのＧａＮからなり、ｎ電極が形成されるｎ型コンタクト層２１（例えば、厚さ約２μｍ）、
ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２２、
ノンドープのＩｎＧａＮ井戸層を含む（例えば、厚さ約３０Å）単一又は多重量子井戸構造の発光層３０、
ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層４１、
ＭｇがドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層４２（例えば、厚さ約１２００Å）を順に成膜する。
【００１３】
また、電極構造は以下のように構成する。
本実施の形態の窒化物半導体発光素子において、ｎ側のオーミック電極５１は従来と同様、ｐ側の窒化物半導体層４０及び活性層３０の一部を除去して露出させたｎ側の窒化物半導体層２０（ｎ型コンタクト層２１）上に形成する。
尚、本実施の形態の窒化物半導体発光素子では、図１に示すように、矩形の窒化物半導体発光素子の１つの隅部において、扇形にｐ側の窒化物半導体層４０及び活性層３０をｎ型コンタクト層２１の表面を露出させるようにエッチングにより除去してその露出させたｎ型コンタクト層２１の表面にｎ側のオーミック電極５１を形成し、その上にパッド電極５２を形成している。
また、ｎ側のオーミック電極５１は厚さ１００ÅのＴｉ層と厚さ５０００ÅのＡｌ層の２層で構成することにより、ｎ型の窒化物半導体からなるｎ型コンタクト層２１と良好なオーミック接触を得ることができる。
また、ｎ側のオーミック電極５１では、Ｔｉ層に代えてＷ層を形成することもできる。
【００１４】
本実施の形態の窒化物半導体発光素子において、ｐ側のオーミック電極５３は、ｐ型コンタクト層４２のほぼ全面に透光性を有するように形成される。このｐ側のオーミック電極５３は、例えば、厚さ１００ÅのＮｉ層と厚さ１００ÅのＡｕ層の２層で構成することができ、このように構成することによりｐ型コンタクト層４２とオーミック接触可能で、かつ透光性を有するｐ側のオーミック電極５３を形成することができる。また、ｐ型コンタクト層４２とオーミック接触可能でかつ透光性を有するｐ側のオーミック電極５３としては、上述のＮｉ−Ａｕ電極のほか、Ｎｉ−Ｐｔ電極、Ｃｏ−Ａｕ電極を用いることもできる。
【００１５】
また、透光性絶縁膜２は、窒化物半導体発光素子全体を覆うように形成され、ｎ側のオーミック電極５１の上に開口部２ａを有し、ｎ側のオーミック電極５１と対角をなす隅部におけるｐ側のオーミック電極５３上に開口部２ｂを有している。この透光性絶縁膜２は、少なくとも発光波長に対して透明であることを特徴とし、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２等で構成することができる。また、この透光性絶縁膜２の材料として、特に好ましいものはＳｉＯ_２とＴｉＯ_２であり、これは上記例示した材料の中でも特に反射率を高くできるからである。さらに最も好ましいものはＳｉＯ_２である。この理由は最も反射率が高くできるということだけではなく、安定性に優れているので信頼性を高くできるからである。また、透光性絶縁膜２の膜厚は、発光波長以上、３μｍ以下の範囲に設定することが好ましく、発光波長以上とすることで、反射層との境界で高い反射が実現でき、また、３μｍ以下にすることで、透光性絶縁膜をリフトオフにより形成することが容易になり、歩留まりを向上させることができる。
【００１６】
さらに、本実施形態の窒化物半導体発光素子において、反射層１はＡｌ、Ａｇ又はＲｈからなり、透光性絶縁膜２を介してｐ側のオーミック電極５３を覆うように形成される。ここで、反射層１は、開口部２ｂにおいてｐ側のオーミック電極５３と電気的に接続されている。
反射層１の膜厚は、０．０５μｍ〜１μｍの範囲に設定することが好ましく、より好ましくは、０．１μｍ〜０．３μｍの範囲に設定する。
反射層１の膜厚が０．３や１μｍより厚くなっても反射に関する効果には変化はないが、製造コストが高くなる。また、反射層１の膜厚が０．０５μｍより薄いと反射率が低くなるからであり、０．１μｍ以上であるとより良好な反射特性が得られる。
【００１７】
また、ｎ側のパッド電極５２及びｐ側のパッド電極５４は、例えば、Ｎｉ層を１０００Åの厚さに形成した上にＡｕ層を６０００Åの厚さに形成することにより共通の材料で構成することができる。
ここで、ｎ側のパッド電極５２は、開口部２ａを介してｎ側のオーミック電極５１と電気的に導通するようにｎ側のオーミック電極５１の直上に形成され、ｐ側のパッド電極５４は反射膜１の表面に開口部２ｂの上に位置するように形成される。
【００１８】
以上のように構成された窒化物半導体発光素子は、透光性オーミック電極５３、透光性絶縁膜２及び反射層１により、後述するように反射率の高い反射構造が構成されるので、例えば、基板側又は発光素子の側面等の所望の方向に効率良く光を取り出すことができる。
【００１９】
次に、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。
ステップ１．
本方法ではまず、サファイア基板（サファイアウエハ）１０上に、それぞれ窒化物半導体からなる低温バッファ層１１、ｎ型コンタクト層２１、ｎ型クラッド層２２、発光層３０、ｐ型クラッド層４１、ｐ型コンタクト層４２を順に成膜し、各素子ごとに、ｎ型コンタクト層２１の表面を露出させる部分を除いてマスク５５を形成する（図３）。
ステップ２．
次に、マスク５５が形成されていない部分をｎ型コンタクト層２１の途中までエッチングで除去することにより、各素子ごとに、ｎ型コンタクト層２１の表面を露出させた後（図４）、マスク５５を除去する（図５）。
【００２０】
ステップ３．
次に、例えば、厚さ１００ÅのＮｉ層と厚さ１００ÅのＡｕ層の２層からなる電極膜５３ａを形成して（図６）、マスク５６を用いてエッチングによりパターンニングすることにより（図７，図８）、ｐ型コンタクト層４２とオーミック接触するｐ側のオーミック電極５３を各ｐ型コンタクト層４２上のほぼ全面に形成する。
ステップ４．
そして、各素子に対応して露出させたｎ型コンタクト層２１の表面にそれぞれｎ側のオーミック電極５１を形成して（図９）、各素子全体を覆うようにＳｉＯ２からなる透光性絶縁膜２を形成する（図１０）。
【００２１】
ステップ５．
次に、透光性絶縁膜２において、ｎ側のオーミック電極５１の上に開口部２ａを形成し、各素子のｎ側のオーミック電極５１と対角をなす隅部に開口部２ｂを形成して、開口部２ｂにおいてｐ側のオーミック電極５３と接続されるように透光性絶縁膜２を介してｐ側のオーミック電極５３を覆う反射層１を形成する（図１１）。
ステップ６．
次に、Ｎｉ層を１０００Åの厚さに形成しその上にＡｕ層を６０００Åの厚さに形成して、パターンニングすることにより、ｎ側のパッド電極５２は開口部２ａを介してｎ側のオーミック電極５１と電気的に導通するように、ｐ側のパッド電極５４は反射膜１の表面に開口部２ｂの上に位置するように形成する。
以上のようにして、ｐ側に透光性のオーミック電極５３、透光性絶縁膜２及び反射層２が積層された反射構造を有する窒化物半導体発光素子を作製できる。
【００２２】
以上のように構成された実施の形態の窒化物半導体発光素子は、上述のように構成された反射構造を有しているので、例えば、基板側から光を出力する際に取り出し効率を高くできる。図１３は、本発明に係る反射構造の反射特性の波長依存性を示すグラフである。図１３において、Ｌ１〜Ｌ３はいずれも本発明に係る反射構造における、ＳｉＯ２膜と反射膜との界面での反射特性を示しており、Ｌ１は反射層としてＡｌを用いて構成した反射構造Ｒ１の反射特性であり、Ｌ２は反射層としてＡｇを用いて構成した反射構造Ｒ２の反射特性であり、Ｌ３は反射層としてＲｈを用いて構成した反射構造Ｒ３の反射特性である。また、図１３のＬ４は比較のために示したものであって、ｐ型窒化物半導体層の上に従来のＮｉ／Ａｕからなるオーミック電極のみを形成することにより構成した従来の電極構造における、ｐ型窒化物半導体層とオーミック電極との界面における反射率を示している。
【００２３】
図１３に示す結果から、次のことがわかる。
第１に、図１３に示すように、波長約３５０ｎｍ〜５３０ｎｍの間では、本発明に係る反射構造は従来例の電極構造に比較して反射率が高くできるので、窒化物半導体を用いて構成された比較的波長の短い黄色から青色の光を発光することができる発光ダイオードにおける反射構造として特に適している。
また、図１３に示すように、反射層としてＡｌを用いて構成した本発明に係る反射構造Ｒ１は、反射層としてＡｇ及びＲｈを用いた本発明に係る反射構造Ｒ２，Ｒ３に比較して波長約３５０ｎｍ〜４３０ｎｍの間で反射率を高くできるので、窒化物半導体を用いて構成されたより波長の短い紫外光〜青色の光を発光する発光ダイオードの反射構造として、特に適している。
さらに、図１３に示すように、反射層としてＡｇを用いて構成した本発明に係る反射構造Ｒ２は、反射層としてＡｌ及びＲｈを用いた本発明に係る反射構造Ｒ１，Ｒ３に比較して波長約４３０ｎｍ以上で反射率を高くできるので、青色〜黄色の光を発光する発光ダイオードの反射構造として、特に適している。
【００２４】
また、図１４〜図１６にそれぞれ反射構造Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３において光の入射角を変化させたときの反射特性を示している。ここで、図１４〜図１６におけるＬ１１，Ｌ２１，Ｌ３１は入射角２０度の時の反射特性であり、図１４〜図１６におけるＬ１２，Ｌ２２，Ｌ３２は入射角４０度の時の反射特性であり、図１４〜図１６におけるＬ１３，Ｌ２３，Ｌ３３は入射角６０度の時の反射特性である。
また、図１７は従来の電極構造における、入射角が２０度の場合（Ｌ４１）、入射角が４０度の場合（Ｌ４２）、入射角が６０度の場合（Ｌ４３）、の各反射特性を示している。
図１４〜図１６から、本発明に係る反射構造は入射角にほとんど依存しないことがわかる。
ここで、本検討において、ｐ側オーミック電極の膜厚は、０．０２μｍとし、ＳｉＯ２膜２の膜厚は、０．５μｍとし、反射層１の膜厚は、０．２μｍとした。
【００２５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る発光素子は、半導体層とその半導体層とオーミック接触するオーミック電極とを備えた発光素子において、上記透光性オーミック電極の上に透光性絶縁膜を介して反射層により覆うことにより構成された反射構造を備え、その反射層はＡｌ、Ａｇ及びＲｈからなる群から選択された１つにより構成されているので、上記反射層によって光を反射させて、所望の方向に光を効率よく出射させることができ、発光した光を効率よく出射できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態の窒化物半導体発光素子の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線についての断面図である。
【図３】実施の形態の製造方法における、ｎ型コンタクト層２１の表面を露出させるエッチング前の断面図である。
【図４】実施の形態の製造方法における、ｎ型コンタクト層２１の表面を露出させるエッチング後の断面図である。
【図５】図４のエッチング後にマスク５５を除去した後の断面図である。
【図６】ｐ側オーミック電極を形成するための電極膜５３ａを形成した後の断面図である。
【図７】電極膜５３ａの上にマスク５６を形成した後の断面図である。
【図８】マスク５６を用いてエッチングした後（ｐ側のオーミック電極５３を各ｐ型コンタクト層４２上のほぼ全面に形成した後）の断面図である。
【図９】ｎ型コンタクト層２１の表面にｎ側のオーミック電極５１を形成した後の断面図である。
【図１０】各素子全体を覆うようにＳｉＯ２からなる透光性絶縁膜２を形成した後の断面図である。
【図１１】反射層１を形成した後の断面図である。
【図１２】ｎ側のパッド電極５２とｐ側のパッド電極５４とを形成した後の断面図である。
【図１３】本発明に係る反射構造の反射特性の波長依存性を示すグラフである。
【図１４】本発明に係る反射構造Ｒ１において、光の入射角を変化させたときの反射特性を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る反射構造Ｒ２において、光の入射角を変化させたときの反射特性を示すグラフである。
【図１６】本発明に係る反射構造Ｒ３において、光の入射角を変化させたときの反射特性を示すグラフである。
【図１７】従来の電極構造における反射特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…反射層、
２…絶縁膜、
２ａ…開口部、２ｂ…開口部、
１０…基板、
１１…バッファ層、
２０…ｎ側の窒化物半導体層、
２１…ｎ型コンタクト層、
２２…ｎ型クラッド層、
３０…活性層、
４０…ｐ側の窒化物半導体層、
４１…ｐ型クラッド層、
４２…ｐ型コンタクト層、
５１…ｎ側のオーミック電極、
５２，５４…パッド電極
５３…ｐ側オーミック電極、
５３ａ…電極膜、
５５，５６…マスク。

Claims

基板上に、ｎ側の窒化物半導体層と活性層とｐ側の窒化物半導体層を順に有し、ｐ側の窒化物半導体層及び活性層の一部が除去されて露出されたｎ側の窒化物半導体層上にｎ側の電極を備え、上記ｐ側の窒化物半導体層上にそのｐ側の窒化物半導体層とオーミック接触するオーミック電極を備えた発光素子において、
反射構造を備え、その反射構造は、上記オーミック電極を透光性オーミック電極とし、上記オーミック電極と、該オーミック電極上に開口部を有しかつ、上記発光素子の全体を覆うように形成された透光性絶縁膜と、その透光性オーミック電極を透光性絶縁膜を介して覆うことにより上記開口部において上記オーミック電極と電気的に接続されかつ、上記透光性絶縁膜を介して上記オーミック電極上のみに形成された反射層と、により構成され、かつ上記反射層はＡｌ、Ａｇ及びＲｈからなる群から選択された１つからなることを特徴とする発光素子。
上記ｐ側の窒化物半導体層としてｐ型窒化物半導体層からなるｐ型コンタクト層を含み、そのｐ型コンタクト層に上記透光性のオーミック電極が形成された請求項１記載の発光素子。
上記透光性絶縁膜はＳｉＯ_２からなる請求項１又は２記載の窒化物半導体発光素子。
上記透光性絶縁膜の膜厚は、３μｍ以下である請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の発光素子。
上記反射層の膜厚は、０．０５μｍ〜１μｍの範囲に設定された請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の発光素子。
上記開口部を介して上記オーミック電極と上記反射層とが電気的に接続され、上記反射層の表面においてさらに上記開口部の上に位置する部分にパッド電極が形成されている請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の発光素子。
上記発光素子は矩形であって、上記矩形の１つの隅部において、扇形にｎ側の窒化物半導体層が露出されてなることを特徴とする請求項１〜６記載の発光素子。