JP4239508B2

JP4239508B2 - 発光素子

Info

Publication number: JP4239508B2
Application number: JP2002225268A
Authority: JP
Inventors: 真也園部; 宏一郎出口
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: JP2004071655A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を層構造に含む発光素子に係わり、特に発光効率を飛躍的に向上させた窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体を層構造に含む窒化物半導体発光素子は高輝度純緑色発光ＬＥＤ、青色発光ＬＥＤとして、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、バックライトなど、様々な分野で広く利用されている。
【０００３】
これらのＬＥＤは、一般に、サファイアなどの基板上に、目的に応じた種々のｎ型窒化物半導体乃至ｐ型窒化物半導体が積層された構造となっている。さらに、ｐ型窒化物半導体上にはｐ電極が配置され、ｎ型窒化物半導体上にはｎ電極が配置されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、省エネなどに伴い、発光出力の低下を伴わずに消費電力の低減を可能とするＬＥＤが望まれている現在において、上記の構成では十分とは言えず、さらなる改良が求められている。
【０００５】
すなわち、上記した従来のＬＥＤは、発光領域にて発光した光が各種半導体または基板を介してＬＥＤの上面および側面から出射される。より詳細には、発光領域から出射された光の一部は、あらゆる界面、すなわち基板と半導体との界面、半導体と半導体の界面、あるいは半導体と電極との界面で反射してしまう。そして、このような行程を複数回繰り返しても各々の部材に吸収されずに残った光が、ＬＥＤから出射される。
【０００６】
ここで、ＬＥＤは、電流を均一に流すために、ｐ型窒化物半導体の略全面にｐ電極を備える構成が主流であるが、光の一部が全面に設けられたｐ電極自体に吸収されてしまうという問題があった。これにより、発光領域からの光の一部が無駄になり、ＬＥＤ外部に光を効率よく取り出すことができなかった。さらにこれに伴い、ＬＥＤを長寿命化することが困難となってしまうという問題もあった。
【０００７】
また一般に、Ａｇは高反射材料であり上記のｐ電極に主として用いることで容易に取り出し効率を改善することが出来るが、接触抵抗を安定して低くすることは難しく、消費電力を十分低くすることが出来ない。またＡｇは容易にプラスイオンとなり、イオンマイグレーションを起こすことが知られており十分な信頼性に確保することが難しい。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するために成されたものであり、特にｐ電極を特定の構成とすることにより、発光素子における光の取り出し効率をさらに向上させ、寿命の長い発光素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子は、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体を少なくとも有し、ｐ型窒化物半導体の所定の一部にｐ電極を備える発光素子である。特に、ｐ電極は、前記ｐ型窒化物半導体に対して第２の部材よりも接触抵抗が低い第１の部材と、発光素子の光に対して第１の部材よりも反射率の高い第２の部材から少なくとも構成されており、
前記第１の部材は、前記ｐ型窒化物半導体が露出した開口部を有し、前記第２の部材はＡｇであり、前記開口部内のみに充填されており、前記第１の部材上面に配置されていないことを特徴とする。これにより、発光素子からの光を第１の部材又は第２の部材により反射させ、発光素子の側面あるは鉛直方向から効率よく光を取り出すことができる。また、第２の部材をＡｇとすることで、効率の良い光反射を得ることができ、結果として発光素子の発光効率を向上させることができる。また、ｐ電極は、Ａｇよりも接触抵抗の低い第１の部材を有するので、実際に発光素子を駆動する際に、電流が主に第１の部材に集中する。これによりＡｇの移動、すなわちイオンマイグレーションを抑制し、信頼性を向上することができる。
【００１０】
また、前記第１の部材は、複数の開口部を有するメッシュ形状であり、前記メッシュ形状の開口部内に前記第２の部材が充填されており、前記第２の部材は前記第１の部材に取り囲まれていることが好ましい。これにより、複数の開口部に第２の部材が充填されるので、第２の部材をより均等に配置することができる。
【００１１】
また、第１の部材は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、から選択された少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。これにより、オーミック接触を容易に得ることができる。
【００１２】
また、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体を少なくとも有し、前記ｐ型窒化物半導体の所定の一部にｐ電極を備える発光素子において、前記ｐ電極は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄから選択された少なくとも１つの元素を含む構成である第１の部材と、前記発光素子の光に対して第１の部材よりも反射率の高いＡｇである第２の部材から少なくとも構成され、前記第１の部材は、前記ｐ型窒化物半導体が露出した開口部を複数有するメッシュ形状であり、前記第２の部材は、前記第１の部材に取り囲まれるように前記メッシュ形状の開口部内に充填されていることを特徴とする。
さらにまた、前記ｎ型窒化物半導体に設けられたｎ電極を、前記ｐ電極と同一面側に備え、前記第１の部材と前記ｐ型窒化物半導体との接触面積は、前記ｐ電極の形成面側から見て、前記ｎ電極から離れるに従って徐々に大きくすることもできる。
あるいは、前記ｎ型窒化物半導体に設けられたｎ電極を、前記ｐ電極と対向する面側に備え、前記ｎ電極直上に位置する部位近傍における前記第１の部材と前記ｐ型窒化物半導体との接触面積は、他の部位における前記第１の部材と前記ｐ型窒化物半導体との接触面積よりも小さくすることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本実施の形態では、発光素子としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いた例について説明する。本発明に係るＬＥＤを構成する各半導体層としては種々の窒化物半導体を用いることができる。例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などによりＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（但し、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる半導体を好適に用いることができる。また、その層構造としては、公知の層構造を用いることができる。例えば、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、シングルヘテロ構造あるいはダブルへテロ構造のものが挙げられる。また、特定の層を超格子構造としたり、活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることもできる。さらに、発光素子の所定の位置に公知の種々の蛍光体を配置させ、発光素子からの光を所望の光に変換することもできる。
【００１４】
またＬＥＤは、一般的には、特定の基板上に各半導体層を成長させて形成されるが、その際、基板に絶縁性基板を用いその絶縁性基板を最終的に取り除かない場合、通常、ｐ電極およびｎ電極はいずれもＬＥＤの同一面側に形成されることになる。この場合、フェイスアップ実装すなわち半導体側を視認側に配置し発光された光を半導体側から取り出すことも可能であるし、フェイスダウン実装すなわち基板側を視認側に配置し発光された光を基板側から取り出すことも可能である。もちろん、初めから絶縁性基板を用いず、あるいは最終的に絶縁性基板を取り除くことにより、ｐ電極とｎ電極が半導体層構造を介して対向するように配置された構成とすることもできる。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのＬＥＤを例示するものであって、本発明のＬＥＤを以下のものに特定するものではない。さらに、各図面が示す部材の大きさや位置関係などは、説明を明確にするため誇張していることがある。
（実施の形態１）
図１、２に基づいて、実施の形態１のＬＥＤについて説明する。ここでは、図に示すように同一面側にｐ電極およびｎ電極を配置したＬＥＤについて説明する。図１は、本実施の形態のＬＥＤを電極形成面側から見た概略図である。また、図２は、本実施の形態のＬＥＤの層構成を示す模式的断面図であり、図１のＡ−Ａ部における断面を表す。
【００１６】
図２に示すように、本実施の形態の発光素子は、例えば、サファイア基板１１上にＧａＮバッファ層１２、ノンドープＧａＮ層１３、ｎ型コンタクト層となるＳｉドープＧａＮ層１４、ｎ型クラッド層となるＳｉドープＧａＮ層１５、活性層となるＩｎＧａＮ層１６、ｐ型クラッド層となるＭｇドープＡｌＧａＮ層１７、ｐ型コンタクト層となるＭｇドープＧａＮ層１８が、順次積層された層構造を有する。さらに、ＭｇドープＧａＮ層１８、ＭｇドープＡｌＧａＮ層１７、ＩｎＧａＮ層１６、ＳｉドープＧａＮ層１５、ＳｉドープＧａＮ層１４が部分的にエッチング等により除去され、ＳｉドープＧａＮ層１４の露出面にｎ電極１９が形成され、ＭｇドープＧａＮ層１８の上面の略全面にｐ電極２０が設けられている。なお、本実施の形態では、「特許請求の範囲」に記載するｎ型窒化物半導体がｎ型コンタクト層となるＳｉドープＧａＮ層１４に対応し、ｐ型窒化物半導体がｐ型コンタクト層となるＭｇドープＧａＮ層１８に対応する。
【００１７】
また、本実施の形態では、ｐ電極２０上のｎ電極１９から離れた位置にワイヤーを接続するためのパッド部２１が部分的に形成され、ｎ電極１９上及びパッド部２１上の開口部を除き、各電極及び各半導体を覆うように絶縁膜（図示せず）が設けられている。なお、ｎ電極１９は、ｎ電極自体にワイヤーを接続するためのパッド部を含む構成とする。
【００１８】
ここで、ｐ電極２０は、第１の部材２０ａであるＲｈと、第２の部材２０ｂであるＡｇより構成される。本実施の形態では、図１に示すように、第１の部材２０ａがメッシュ形状であり、かつ第２の部材２０ｂがメッシュ形状の開口部内及び第１の部材２０ａ上面に形成されている。メッシュ形状の第１の部材２０ａは、ｐ型コンタクト層であるＭｇドープＧａＮ層１８の上面の略全域に渡って形成されている。必然的に、第１の部材２０ａの開口部に充填されている第２の部材２０ｂも、ｐ型コンタクト層であるＭｇドープＧａＮ層１８の上面の略全域に渡って形成されることになる。
【００１９】
このように、第１の部材２０ａの開口部に第２の部材２０ｂが充填されることにより、第２の部材２０ｂがイオンマイグレーションし易い部材である場合に、第２の部材２０ｂのイオンマイグレーションを軽減することができる。イオンマイグレーションは電極の＋側から−側（ｐ側からｎ側）に向けて生じる現象であり、ｐ電極として例えばＡｇのみを用いると、実際にＬＥＤを駆動した際に、Ａｇがプラスイオン化し、ｎ電極方向にＡｇ自体が移動してしまう（この現象を「イオンマイグレーション」という）。具体的には、ＬＥＤ上面（電極形成面側）から見ると、ｐ電極であるＡｇがｐ型窒化物半導体上をｎ電極方向に移動し、最悪の場合には、ｎ電極が形成されるｎ型窒化物半導体上に落下したり、またはｐ型窒化物半導体及びｎ型窒化物半導体に渡ってＬＥＤ側面に付着し、リークを誘発する可能性があった。
【００２０】
しかしながら、本件発明のように、第２の部材２０ｂであるＡｇよりも接触抵抗が低く電流が流れやすい第１の部材２０ａであるＲｈをメッシュ形状にすることにより、電流は主にＲｈとｐ型窒化物半導体の接触面を通り道とするので、Ａｇのイオンマイグレーションが効果的に軽減されることになる。
【００２１】
さらに、Ａｇは窒化物半導体が放出可能な波長の大部分において非常に高い反射率を有する部材であるので、第１の部材２０ａの開口部に第２の部材２０ｂであるＡｇを充填することにより、ｐ電極１６全域に渡り高い反射効率を得ることができる。このように構成することにより、発光素子全体として光の取り出し効率が向上する。
【００２２】
さらに、第２の部材としてＡｇ等の反射率の高い部材を用い、接触抵抗の低い第１の部材にオーミックアニール（オーミック接触のための熱処理）を施す際は、本実施の形態のように、第１の部材の開口部内および上面に第２の部材を形成することが好ましい。すなわち、一般に、Ａｇ等の反射率の高い部材は熱処理を行うとその反射率が低下してしまう傾向がある。しかしながら、まずｐ型半導体に接触抵抗の低い第１の部材を形成しオーミックアニールを施した後に、さらに第１の部材の開口部内および上面に第２の部材を配置することにより、第２の部材に熱の影響を与えることなくｐ電極を形成することができる。
【００２３】
また、本実施の形態のように、第２の部材２０ｂを、第１の部材２０ａの開口部内だけでなく、第１の部材２０ａ上面にも配置させることにより、ｐ型コンタクト層となるＭｇドープＧａＮ層１８全体により均一に電流を拡散させることができる。すなわち、第２の部材２０ｂは第１の部材２０ａよりも接触抵抗が高く電流が流れにくいので、ｐ電極に流れ込む電流はｐ型コンタクト層とｐ電極の接触面全体に拡散する。その結果、ＬＥＤ全体により均一に電流が流れることになり、発光効率が向上すると考えられる。
【００２４】
本実施の形態では、メッシュ形状の開口部をｐ電極全体に均等に配置した構成としたが本発明はこれに限定されない。例えば、ＬＥＤ全体により均一に電流が流れるように、接触抵抗の低い部材とｐ型コンタクト層との接触面積を、電極形成面側から見て、ｎ電極から離れるに従って徐々に大きくなるように構成しても良い。すなわち、開口部の形状、大きさ、配置位置などは設計者側で任意に設定することができる。
【００２５】
一方、第２の部材２０ｂを、第１の部材２０ａ上面に配置させずに第１の部材２０ａの開口部内のみに配置させることもできる。すなわち、ｐ電極全体に渡って存在するメッシュ形状開口部それぞれにおいて、第１の部材２０ａが第２の部材２０ｂを取り囲む形状とすることができるので、第２の部材２０ｂのイオンマイグレーションをより効果的に軽減することができる。この場合、第１の部材２０ａが、第２の部材２０ｂのイオンマイグレーションを阻止する壁となると考えられる。また、ｐ電極形成面側から見て、ｐ電極の周縁に位置するＲｈを内部に比して高く形成し、その内部にＡｇを充填することにより、Ａｇのイオンマイグレーションを効果的に防止することもできる。
（実施の形態２）
図３、４に基づいて、実施の形態２のＬＥＤについて説明する。ここでは、図に示すようにｐ電極およびｎ電極が対向して配置されたＬＥＤについて説明する。図３は、本実施の形態のＬＥＤをｐ電極形成面側から見た概略図である。また、図４は、本実施の形態のＬＥＤの層構成を示す模式的断面図であり、図３のＡ−Ａ部における断面を表す。
【００２６】
図４に示すように、本実施の形態の発光素子は、例えば、ｎ型コンタクト層となるＳｉドープＧａＮ層３４、ｎ型クラッド層となるＳｉドープＧａＮ層３５、活性層となるＩｎＧａＮ３６、ｐ型クラッド層となるＭｇドープＡｌＧａＮ層３７、ｐ型コンタクト層となるＭｇドープＧａＮ層３８が、順次積層された層構造を有する。さらに、ＳｉドープＧａＮ層３４にｎ電極３９が形成され、ＭｇドープＧａＮ層３８の略全面にｐ電極４０が設けられている。なお、本実施の形態では、「特許請求の範囲」に記載するｎ型窒化物半導体がｎ型コンタクト層となるＳｉドープＧａＮ層３４に対応し、ｐ型窒化物半導体がｐ型コンタクト層となるＭｇドープＧａＮ層３８に対応する。
【００２７】
また、本実施の形態では、ｐ電極形成面側から見て、ｐ電極４０上の略中央にワイヤーを接続するためのパッド部４１が部分的に形成され、ｎ電極３９上及びパッド部４１上の開口部を除き、各電極及び各半導体を覆うように絶縁膜（図示せず）が設けられている。なお、本実施の形態では、ｎ電極３９がワイヤーを接続するためのパッド部（図示せず）を含む構成とする。
【００２８】
さらに、ｐ電極４０は、実施の形態１と同様に、第１の部材４０ａであるＲｈと、第２の部材４０ｂであるＡｇより構成され、その構成は図３に示すように、第１の部材４０ａがメッシュ形状であり、かつ第２の部材４０ｂがメッシュ形状の開口部内及び第１の部材４０ａ上面に形成されている。メッシュ形状の第１の部材４０ａは、ｐ型コンタクト層であるＭｇドープＧａＮ層３８の上面の略全域に渡って形成されている。必然的に、第１の部材４０ａの開口部に充填されている第２の部材４０ｂも、ｐ型コンタクト層であるＭｇドープＧａＮ層３８の上面の略全域に渡って形成されることになる。
【００２９】
このように構成することで、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。特に、本実施の形態のように各電極を対向するように配置する場合は、ｐ電極側を実装基板に実装し、ｎ電極側を視認側とすることが好ましい。これにより、ｎ電極側を実装基板に実装しｐ電極側を視認側とする場合に比して、光の取り出し効率をより向上させることができる。
【００３０】
また、本実施の形態のように、各電極を対向して配置させる場合は、接触抵抗が低い部材とｐ型窒化物半導体との接触面積を、ｐ電極全体として不均一にすることができる。例えば、ｎ電極直上に位置する部位近傍（図３ではｐ電極直下の部位近傍に相当する）におけるｐ型窒化物半導体との接触面積を他の部位に比較して小さくすることが好ましい。このように構成することにより、ｐ電極とｎ電極を直線で結んだ部位近傍のみに電流を集中させずに、発光素子に流れる電流をより均一に全体に拡散させることができる。
【００３１】
また、ここではｐ電極に部分的にパッド部を設ける構成としたが、ｐ電極におけるパット部は必ずしも必要ない。すなわち、例えば、サファイア基板上に種々の半導体を成長させた後そのサファイア基板を除去する際、ｐ電極に導電性接続部材である半田等を用いて金属基板を張り合わせた後にサファイア基板が除去される。これは、金属基板をｐ電極側に張り付けることによりある程度の厚みを確保し、サファイア基板を除去し易いようにするためである。このために、張り合わせられた金属基板を有する発光素子は、その金属基板自体がパッド部に相当することになる。なお、金属基板を構成する部材は特に限定されるものではないが、例えばＣｕとＷの合金、ＡｌとＣｕの合金等を用いることができる。
（実施の形態３）
特に図示はしないが、第１の部材と第２の部材の位置関係を逆転させる以外は、実施の形態１と同様に作製する。なお、本実施の形態においては、第２の部材であるＡｇを第１の部材であるＲｈで完全に覆う構成とすることがより好ましい。これにより、第２の部材であるＡｇのマイグレーションをさらに軽減させることができる。
（実施の形態４）
特に図示はしないが、第１の部材と第２の部材の位置関係を逆転させる以外は、実施の形態２と同様に作製する。このようにしても実施の形態２と同様に、光の取り出し効率を効果的に向上させることができる。なお、本実施の形態においては、第２の部材であるＡｇを第１の部材であるＲｈで完全に覆う構成とすることがより好ましい。これにより、第２の部材であるＡｇのマイグレーションをさらに軽減させることができる。
【００３２】
実施の形態１〜４においては、第１の部材又は第２の部材の形状をメッシュ形状として説明したが、本発明は開口部を有していればよくメッシュ形状に限定されないことは言うまでもない。それ以外の形状としては、例えば、一方の部材を単にドット状に配置し、他の部材を少なくともドット間に充填することもできる。さらに、ｐ電極は少なくとも第１の部材と第２の部材を備えていればよい。すなわち、本件発明の作用効果を阻害しないのであれば、さらに第３の部材、第４の部材等をｐ電極の構成に備えることもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明に係わる発光素子によれば、ｐ電極における光の吸収を最小限に抑えることができる。これにより、光の取り出し効率を大幅に向上させることができる。また、マイグレーションを起こしやすいＡｇ等の部材をｐ電極として用いても、そのマイグレーションを効果的に軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１のＬＥＤをｐ電極形成面側から見た平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ部における断面図である。
【図３】実施の形態２のＬＥＤをｐ電極形成面側から見た平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ部における断面図である。
【符号の説明】
１１・・・サファイア基板
１２・・・ＧａＮバッファ層
１３・・・ノンドープＧａＮ層
１４、３４・・・ＳｉドープＧａＮ層
１５、３５・・・ＳｉドープＧａＮ層
１６、３６・・・ＩｎＧａＮ層
１７、３７・・・ＭｇドープＡｌＧａＮ層
１８、３８・・・ＭｇドープＧａＮ層
１９、３９・・・ｎ電極
２０、４０・・・ｐ電極
２０ａ、４０ａ・・・第１の部材
２０ｂ、４０ｂ・・・第２の部材
２１、４１・・・パッド

Claims

ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体を少なくとも有し、前記ｐ型窒化物半導体の所定の一部にｐ電極を備える発光素子において、
前記ｐ電極は、前記ｐ型窒化物半導体に対して第２の部材よりも接触抵抗が低い第１の部材と、前記発光素子の光に対して第１の部材よりも反射率の高い第２の部材から少なくとも構成され、
前記第１の部材は、前記ｐ型窒化物半導体が露出した開口部を有し、
前記第２の部材はＡｇであり、前記開口部内のみに充填されており、前記第１の部材上面に配置されていないことを特徴とする発光素子。
前記第１の部材は、複数の開口部を有するメッシュ形状であり、前記メッシュ形状の開口部内に前記第２の部材が充填されており、前記第２の部材は前記第１の部材に取り囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第１の部材は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄから選択された少なくとも１つの元素を含む構成であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体を少なくとも有し、前記ｐ型窒化物半導体の所定の一部にｐ電極を備える発光素子において、
前記ｐ電極は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄから選択された少なくとも１つの元素を含む構成である第１の部材と、前記発光素子の光に対して第１の部材よりも反射率の高いＡｇである第２の部材から少なくとも構成され、
前記第１の部材は、前記ｐ型窒化物半導体が露出した開口部を複数有するメッシュ形状であり、
前記第２の部材は、前記第１の部材に取り囲まれるように前記メッシュ形状の開口部内に充填されていることを特徴とする発光素子。
前記ｎ型窒化物半導体に設けられたｎ電極を、前記ｐ電極と同一面側に備え、
前記第１の部材と前記ｐ型窒化物半導体との接触面積は、前記ｐ電極の形成面側から見て、前記ｎ電極から離れるに従って徐々に大きくなっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の発光素子。
前記ｎ型窒化物半導体に設けられたｎ電極を、前記ｐ電極と対向する面側に備え、
前記ｎ電極直上に位置する部位近傍における前記第１の部材と前記ｐ型窒化物半導体との接触面積は、他の部位における前記第１の部材と前記ｐ型窒化物半導体との接触面積よりも小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の発光素子。