JP4203132B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、LED素子の構造に係わる。
【0002】
【従来の技術】
GaN、AlN、InNまたはこれらの混晶に代表される窒化物半導体材料により、紫外から可視領域で発光するLED等の半導体発光素子が実現されている。これらのLED素子では、基板として、主に絶縁体であるサファイアが用いられているので、通常の発光素子とは異なって、素子表面よりpn両電極を取る必要があり、そのための種々の構造が提案されてきた。以下に、このような従来の技術に基づく、窒化物半導体材料を用いた発光素子を示す。
【0003】
図7は、従来の技術の発光素子を示す図で、(a)は平面図(b)はA−A’断面図である。図において、1はサファイア基板、2はn−GaN層、3はInGaN発光層、4はp−GaN層、5はnボンディング電極、6はp透明電極、7はpボンディング電極、8はボール、9はボンディングワイヤである。素子表面よりpn両電極を取る構造では、電流が基本的に、表面に平行な方向に流れるので、表面に平行である発光層を、電流が均一に横切らず、よって、図7においてメサ状に形成されている発光部において、発光強度の分布を生じやすかった。これを改善するために、p電極を発光部のほぼ全面に渡って形成すれば良いが、不透明な電極で発光部を覆うと発光の取り出しが妨げられるので、本構造では、p電極を透明にしている。ただ、電極を透明とするためには、厚さ10nm程度のごく薄い金属膜にせざるを得ず、このような膜にワイヤーボンディングを行うことが困難なので、p電極の一部を、十分に厚い金属膜で構成された不透明なボンディング電極7としている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、以下に記載するような問題点があった。
【0005】
図7の素子においては、発光を素子上面より取り出せるような工夫を行っているものの、不透明なpボンディング電極直下での発光に関しては、透明電極から取り出しにくい。すなわち、透明電極を設けても、pボンディング電極直下での発光の取り出し改善にはつながらない。本発明者の実験的知見によれば、不透明な電極直下の発光は素子側面から有効に取り出され得るにもかかわらず、上記従来の技術においては、そのための手立てが十分に講じられておらず、結果として、光取り出し効率が必ずしも満足の行くものではなかった。
【0006】
本発明は、発光素子におけるボンディング電極の配置などを適切に設定することにより、本問題点を解消するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1における発光素子は、基板上に、少なくとも、第1導電型半導体層、第2導電型半導体層が順次設けられ、素子表面より、該第1導電型半導体層に接続する第1ボンディング電極が設けられ、該第2導電型半導体層表面の概略全面に、第2ボンディング電極が設けられることにより該第2ボンディング電極直下に発光部が形成され、さらに、該基板は発光に対して透明であり、該第2ボンディング電極は、ボンディングのために概略最小限のサイズに形成されており、該第2ボンディング電極周囲の少なくとも3方向に素子側面が配置されていることを特徴とする。
【0008】
本発明の請求項2における発光素子は、基板上に、少なくとも、第1導電型半導体層、第2導電型半導体層が順次設けられ、素子表面より、該第1導電型半導体層に接続する第1ボンディング電極が設けられ、該第2導電型半導体層表面の概略全面に、第2ボンディング電極および該第2ボンディング電極に接続した第2透明電極が設けられることにより、該第2ボンディング電極および該第2透明電極直下に発光部が形成され、さらに、該基板は発光に対して透明であり、該第2ボンディング電極は、ボンディングのための実質最小限のサイズに形成されており、さらに、該第2ボンディング電極周囲の3方向に素子側面が配置されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項3における発光素子は、外形が長方形である。
【0009】
好ましくは、本発明の請求項2または3における発光素子において、第1ボンディング電極、第2透明電極、第2ボンディング電極が順次一列に並んで配置されることを特徴とする。
【0010】
また、本発明の発光素子は、上記第1導電型半導体層が、1層以上のIII族元素窒化物半導体で構成されており、さらに、上記第2導電型半導体層が、1層以上のIII族元素窒化物半導体で構成されているのもよい。
また、本発明の発光素子は、基板の厚みは80〜400μmの範囲であるのもよい。
また、本発明の発光素子は、第2ボンディング電極のサイズが100μm角〜200μm角であるのもよい。
また、本発明の発光素子は、第2ボンディング電極の周囲3方向の側面が素子側面の一部を構成するのもよい。
【0013】
なお、本明細書において、半導体の導電型もしくは電極に冠せられている第1あるいは第2という表現は、一般にp、nもしくはiの記号で表される導電型を示しているものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態1〕
図1は、本発明に基づいた青色発光素子の、素子形状を示す図で、(a)は平面図(b)はA−A’断面図である。図において、100は発光素子、101はサファイア基板、102はn型GaN層、103はInGaN発光層、104はp型GaN層、105はnボンディング電極、106はp透明電極、107はpボンディング電極、108はボール、109はボンディングワイヤである。平面図に示されるように、本素子においては、nボンディング電極105、p透明電極106、pボンディング電極107を、一列に並べるように、配置した。なお、図1平面図においては、見やすくするために、108および109が表示されない。基板であるサファイアは、可視光をほとんど吸収せず、本発光素子の発光波長において透明である。
【0015】
このような発光素子の製造方法を、以下に述べる。
【0016】
厚さ300μmのサファイア基板上101に、n型GaN層102、InGaN発光層103、p型GaN層104を順次積層する。その後、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用い、ウェハー表面よりn型GaN層の途中まで、nボンディング電極105を形成する部分を除去する。
【0017】
次いで、p型GaN層104上に、p透明電極106を形成する。電極材料としては、例えば、Ni/AuあるいはPd/Pt等を用いればよい。これを光透過性とするために、極薄膜とする必要があり、具体的には、総膜厚15nm程度に抑えれば良い。
【0018】
また、n型GaN層102上に接するように、nボンディング電極105を形成する。電極材料としては、例えば、Al、Ti/AuあるいはW/Au等を用いればよい。これは、ボンディングが容易なように、厚めにすることが望ましく、例えば、総膜厚1μm程度以上にすればよい。
【0019】
さらに、p透明電極106に接するように、pボンディング電極107を形成する。これは、ボンディングが容易なように、AuあるいはAl等の金属材料を用い、膜厚1μm程度以上と厚めに形成すればよい。このようなpボンディング電極107は、極薄金属膜であるp透明電極106にワイヤボンディングを行うことが困難なために、特に設けられたものである。発光層上に存在する不透明なpボンディング電極107のサイズは、発光の取り出しを考慮して最小限とすることが必要である。現状のワイヤボンディング工程では、製造上の余裕も考慮して、100〜200μmφ程度のサイズが必要であり、本実施の形態においては、pボンディング電極107のサイズを200μm角とした。また、p透明電極107の、上から見えている領域(平面図に現れている領域)のサイズを150μm角とした。
【0020】
以上の工程は、公知のごとく、ウェハー上に多数の素子を並べて一括してなされるものである。図2は、図1の発光素子が、ウェハー上に多数並べられている様子を、その一部を取り出して示す平面図である。100で示した単位が一素子に対応する。図示されるように、本実施の形態においては、pボンディング電極同士およびnボンディング電極同士が、それぞれ横に並ぶように、各素子が配置される構成とした。
【0021】
それから、各素子を分割する前に、ウエハー上で、発光素子の特性検査が実施される。これは、pボンディング電極と、nボンディング電極に、プローブを当て、電流を適宜流して、素子電圧や発光強度などの特性に所要のものが得られているかを検査する工程である。本実施の形態においては、図2に示した如く、発光素子4単位ずつ、各ボンディング電極がつながるように形成されているので、4素子ずつまとめて検査が可能である。また、本実施の形態に示した発光素子の製造方法によれば、従来例の発光素子とは異なり、プローブを当てるべき各ボンディング電極が一列に連続して並んでいるために、各素子を検査する際、ウェハー上でプローブをボンディング電極に沿って移動させれば、誤って透明電極を傷つけることがなく、また、プローブから透明電極上にゴミが落ちることも少なくなり、製造歩留まりが向上する。さらに、図2における縦方向には、素子の各部分を構成するためのマスク合わせの厳密性が要求されないので、この点からも、製造が容易になる。
【0022】
その後の工程で、図2に示される各素子は、ひとつひとつ切り離される。切り離された各素子は、コレット(真空吸着具)でつかみ上げられて、適宜搬送されるが、その際、本発明の発光素子においては、素子の両端の部分のみが接触するようなコレットを用いれば、素子の両端を固定するので、安定した搬送が可能にあり、また、素子の両端には、ボンディング電極のみが存在するので、表面の光取り出し部分が傷つくこともない。これは、nボンディング電極、p透明電極、pボンディング電極が順次一列に配置されることによって、素子の両端にはボンディング電極のみが配置されている本発明の発光素子独特の効果である。
【0023】
それから、図1に示されていない適当な台座に素子が固定されたのち、nボンディング電極105およびpボンディング電極107上にワイヤ109がボンディングされる。ボンディングの際、ワイヤの先端にはボール108が形成されており、これにより、強固なワイヤボンディングが完成する。
【0024】
本発明の発光素子においては、図1平面図に示されるように、pボンディング電極の周囲前後左右4方向のうち3方向(図1において紙面、前・後・左)は、素子の側面となっている。すなわち、3方向で、発光部および発光に対して透明な基板の側面が露出している。これにより、従来の発光素子では、不十分であった、pボンディング電極直下での発光の外部への取り出しが、十分に得られるようになる。
【0025】
図3および図4は、このような効果を確認するための実験内容と結果を説明するための図である。実験では、本発明の発光素子のように、pボンディング電極の周囲3方向が素子側面となっている発光素子と、従来例の発光素子のように、pボンディング電極の周囲2方向(図7において紙面、後・左)が素子側面となっている発光素子とで、同一の電流を注入したときの発光強度の違いを比較した。また、それぞれ、電流密度を同一にしたうえで、発光部の面積を変化させて比較も行った。
【0026】
図3の左側の列は、pボンディング電極の周囲3方向が素子側面となっている発光素子である。pボンディング電極の面積を1として、発光部の面積(pボンディング電極およびp透明電極の面積の和)が1、2、3である時の、3通りの素子を表している。例えば、発光部の面積が1の素子は、透明電極が形成されていない素子であり、2の素子は、pボンディング電極と同面積の透明電極が形成されている素子であることを示している。また、右側の列は、pボンディング電極の周囲2方向が素子側面となっている発光素子である。発光部の面積については、上記と同様である。本実験では、pボンディング電極の大きさを200μm角、サファイア基板の厚さを300μmに固定した。また、面積1あたり、10mAの電流を注入した。
【0027】
図4に、図3に示した各発光素子の発光強度を相対的に示した。図から明らかなように、いずれの発光部面積においても、3方向が素子側面となっている方が、発光強度が大きかった。この結果から、透明電極をたとえpボンディング電極に隣接して設けても、ここからpボンディング電極直下での発光を取り出すことは困難であり、取り出し向上のためには、pボンディング電極の周囲をなるべく素子側面とすることが必要であることが明らかになった。このような事実は、従来正確に認識されていなかったものであり、当実験に基づいて、初めて本発明者により指摘され得たものである。なお、上記効果は、基板が発光に対して不透明である発光素子では、顕著に表れなかった。なぜなら、このような素子では、基板およびその上に積層された半導体層内部で発光の吸収が生じるので、pボンディング電極直下での発光は、いずれにせよ、ほとんど外部に取り出せないためだと考えられる。しかしながら、透明基板を用いた場合には、基板の側面が、pボンディング電極の周囲にあれば、pボンディング電極直下での発光を、基板側面を通じて取り出すことが可能になるのである。なお、図4の結果は、基板の厚さが80〜400μm以上の範囲ではほとんど変化せず、また、pボンディング電極の適切な範囲100〜200μmでもほとんど変化しなかった。
【0028】
また、pボンディング電極の大きさについては、当然に小さいほうが望ましいが、ボンディングに必要な面積は確保する必要がある。しかしながら、発光部の大きさは、注入電流密度が過大にならないように、適切に設定される必要がある。なぜなら、注入電流密度が過大であると、発熱により効率が低下したり、素子寿命に悪影響を与えたりするためである。このような、ジレンマを解消するために、発光部を覆うように形成されるp電極のうち、ボンディングに必要な部分以外をp透明電極とし、適切な発光部面積を確保するようにした。また、このような透明電極は、pボンディング電極の一辺にのみ隣接して設け、pボンディング電極直下での発光の取りだしを妨害しないように考慮した。
【0029】
以上のように、本実施の形態の発光素子によれば、pボンディング電極の面積を、必要最小限にし、3方向を素子側面とすることで、pボンディング電極直下の発光が素子外部に取り出すことができるようになり、素子の発光効率が従来と比較して、良好になることが判明した。
【0030】
また、本実施の形態の発光素子においては、各半導体層に、III族元素窒化物半導体を用いたので、可視領域での発光する良好な特性の発光素子が得られた。
【0031】
本実施の形態においては、nボンディング電極、pボンディング電極の形状を図1に示されるように、概略正方形としたが、これは、外形が長方形である素子上に無駄のないように配置し、また、ボンディングに必要な領域を確保しつつ、面積が小さくなることを鑑みて形成したものである。この趣旨を逸脱しない範囲で、若干変形しても、効果に違いがあるものではない。たとえば、正方形の一部もしくは全部の角に丸みを帯びるような形状にしてもよく、多角形あるいは半円形あるいは円形にするなどの変形も適宜可能である。
【0032】
また、本実施の形態においては、発光部の形状を概略正方形としたが、これも同様に、適宜変更され得るものである。
【0033】
また、図2において、並べられた素子は、各列とも同じ向きとなるように配置されているが、これは、例えばひとつおきに、向きを変えて配置しても良く、この場合、nボンディング電極部およびpボンディング電極を隣の列と一体化して作製できる。また、図2においては、各ボンディング電極が4つずつ繋がった例を示したが、これは、状況に応じて、変更され得るものである。
【0034】
さらに、図2において、110で示した様に素子を切り出せば、通常の2倍の発光面積を有する発光素子を得ることができる。このように、本実施の形態に示した発光素子の製造方法によれば、一つのウェハーから、異なる発光面積を有する発光素子を、製造工程の一部を変更するのみで得ることができるという、副次的な効果も奏する。
【0035】
〔実施の形態2〕
図5は、本発明の実施の形態2における、緑色発光素子の、素子形状を示す図で、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。本実施の形態の発光素子は、実施の形態1の発光素子の変形例である。図における各符号の示す要素は、図1と同じである。図1と異なる点は、pボンディング電極が、素子側面から若干内側に入って形成されていることである。本実施の形態においては、pボンディング電極の3方向は、素子側面から30μm内側に入って形成した。このような構成としても、pボンディング電極直下の発光が素子側面から取り出される効果には、実質的な変更が生じるものではなく、実施の形態1と同様に、本実施の形態においても、従来と比較して発光効率の良い、可視領域で発光する発光素子が得られた。
【0036】
本実施の形態においては、サファイア基板の厚さを100μm、p透明電極の大きさを100μm角、pボンディング電極の大きさを100μm角とした。
【0037】
なお、本実施の形態においても、発光部の形状等は、実施の形態1と同様の変形が可能である。
【0038】
〔実施の形態3〕
図6は、本発明の実施の形態3における、黄緑色発光素子の、素子形状を示す図で、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。本実施の形態の発光素子は、実施の形態1の発光素子の変形例である。図における各符号の示す要素は、図1と同じである。図1と異なる点は、p透明電極を省略したことである。これにより、実施の形態1の形状と比較すると、発光面積が拡大できず、よって、高電流において発光効率低下等の問題が生じるような、特性の劣る発光素子しか得られないが、特に、低出力動作を目的としたLED素子においては、低電流に限り用いられるものであるので、図6のように、簡易化した形態でも、十分使用に耐えるものが得られる。本実施の形態においても、pボンディング電極直下の発光が素子側面から有効に取り出されるので、低出力目的に用いられるのに、十分な特性をもつ発光素子が得られた。
【0039】
本実施の形態においては、サファイア基板の厚さを200μm、pボンディング電極の大きさを150μm角とした。
【0040】
なお、本実施の形態においても、発光部の形状等は、実施の形態1に示したのと同様の変形が可能である。
【0041】
以上、本発明の実施の形態について、いくつかの例を示したが、本発明の趣旨を変更しない範囲での変形が可能である。例えば、基板材料、半導体材料は上記のものに限られる訳ではなく、種々の公知材料を用いてもよい。また、透明絶縁基板の例を示したが、発光に対して透明な、導電性基板を用いても、構成が実質的に変更されるものではない。例えば、基板として、n−SiC基板などを用いることが可能である。
【0042】
【発明の効果】
本発明の発光素子では、上記構成によって、従来有効に用いられていなかった第2ボンディング電極直下での発光を、素子側面から最大限に取り出せるようになり、発光の取り出し効率が向上する。よって、素子の発光効率が良好なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の発光素子を示す図で、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1の発光素子の、製造工程における、ウェハー上での配置方法を示す、平面図である。
【図3】本発明の効果を調べるための、比較実験に用いた発光素子の一覧である。
【図4】比較実験における各発光素子の発光強度を示す図である。
【図5】本発明の実施の形態2の発光素子を示す図で、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。
【図6】本発明の実施の形態3の発光素子を示す図で、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。
【図7】従来の発光素子を示す図で、(a)は平面図、(b)はA−A’断面図である。
【符号の説明】
100 発光素子
101 サファイア基板
102 n型GaN層
103 InGaN発光層
104 p型GaN層
105 nボンディング電極
106 p透明電極
107 pボンディング電極
108 ボール
109 ボンディングワイヤ
Claims (8)
- 基板上に、少なくとも、第1導電型半導体層、第2導電型半導体層が順次設けられ、素子表面より、該第1導電型半導体層に接続する第1ボンディング電極が設けられ、該第2導電型半導体層表面の概略全面に、第2ボンディング電極が設けられることにより、該第2ボンディング電極直下に発光部が形成されている発光素子において、
該基板は発光に対して透明であり、該第2ボンディング電極は、ボンディングのための実質最小限のサイズに形成されており、さらに、該第2ボンディング電極周囲の3方向に素子側面が配置されていることを特徴とする発光素子。 - 基板上に、少なくとも、第1導電型半導体層、第2導電型半導体層が順次設けられ、素子表面より、該第1導電型半導体層に接続する第1ボンディング電極が設けられ、該第2導電型半導体層表面の概略全面に、第2ボンディング電極および該第2ボンディング電極に接続した第2透明電極が設けられることにより、該第2ボンディング電極および該第2透明電極直下に発光部が形成されている発光素子において、
該基板は発光に対して透明であり、該第2ボンディング電極は、ボンディングのための実質最小限のサイズに形成されており、さらに、該第2ボンディング電極周囲の3方向に素子側面が配置されていることを特徴とする発光素子。 - 外形が長方形である請求項1または2に記載の発光素子。
- 基板の厚みは80〜400μmの範囲である請求項1〜3のいずれか1つに記載の発光素子。
- 第1ボンディング電極、第2透明電極、第2ボンディング電極が順次一列に並んで配置されている請求項2〜4のいずれか1つに記載の発光素子。
- 上記第1導電型半導体層が、1層以上のIII族元素窒化物半導体で構成されており、さらに、上記第2導電型半導体層が、1層以上のIII族元素窒化物半導体で構成される請求項1〜5のいずれか1つに記載の発光素子。
- 第2ボンディング電極のサイズが100μm角〜200μm角である請求項1〜6のいずれか1つに記載の発光素子。
- 第2ボンディング電極の周囲3方向の側面が素子側面の一部を構成する請求項1〜7のいずれか1つに記載の発光素子。
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