JP4320687B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Description
前記基板上に形成されたn側窒化物半導体層、活性層及びp側窒化物半導体層と、
前記p側窒化物半導体層上に形成された透光性電極と、
前記p側窒化物半導体層上に形成された、外部回路とワイヤボンディングにより接続するためのp側パッド電極と、
前記p側窒化物半導体層と前記活性層の一部を除去して露出した前記n側窒化物半導体層上に形成された、外部回路とワイヤボンディングにより接続するためのn側パッド電極と、
を備えた窒化物半導体発光素子であって、
基板上面から見て、前記n側パッド電極と前記p側パッド電極の中心同士を結ぶ中心線と、その中心線に直交する前記n側パッド電極の接線であって前記p側パッド電極に近い方の接線とを仮想して、
前記p側窒化物半導体層及び前記活性層は、前記接線よりも前記p側パッド電極から遠く、前記n側パッド電極と前記基板の短辺に挟まれた領域に、先細形状の終端部であって三角形で近似した場合に終端を挟む両辺のつくる角度が90度未満である終端部を有し、
前記先細形状の終端部において、前記基板主面に垂直な面内において前記p側窒化物半導体層及び前記活性層の端面が前記基板主面との間で成すテーパ角を、
前記p側窒化物半導体層の上面における発光強度分布をみたときに発光強度の最も強い領域に比べて小さく、かつ、50度以下とし
前記基板主面に直交する断面において、前記基板の側面が、前記基板の主面に略垂直な直交面と該直交面に対して斜めに傾斜した傾斜面とを有し、前記p側窒化物半導体層及び前記活性層の端面と前記基板の傾斜面とが、素子外周に向かって互いに近づくように傾斜していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
実施の形態1
図1は、本発明の実施の形態1に係る窒化物半導体発光素子を示す上面図であり、図2は、その断面図である。図2に示すように、窒化物半導体発光素子1は、サファイア、SiC、Si、GaN等の基板2の上に、n側窒化物半導体層4、活性層6、p側窒化物半導体層8が順次形成され、ダブルへテロ構造を有している。p側窒化物半導体層8の表面のほぼ全面に、ITOや金属薄膜からなる透光性電極10が形成され、その上にワイヤボンディング等によって外部回路と接続するためのp側パッド電極14が形成されている。
(1)図1に示すように、基板の短手方向において、p側パッド電極14が接続されているp側層9の幅(=p側窒化物半導体層8の幅)をX、p側パッド電極14の最大幅をRpとすると、X<2Rpの関係を充足する発光素子。
(2)さらに好ましくは、基板の短手方向において、n側パッド電極12の最大幅をRnとすると、X<2Rnの関係も充足する発光素子。
また、端面テーパ角制御の効果は、p側パッド電極14とn側パッド電極12の合計面積が素子の面積に対して占める割合が0.2以上となるような素子においても顕著である。
(透光性電極10)
透光性電極の材料としては、ニッケル(Ni)、白金(Pt)パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、タングステン(W)、ランタン(La)、銅(Cu)、銀(Ag)、イットリウム(Y)よりなる群から選択された少なくとも一種を含む金属、合金、それらの積層構造、さらには、それらの化合物が挙げられる。金属や合金層の場合には、薄膜で形成することにより透光性を確保することができる。また、化合物には、導電性の酸化物、窒化物などが含まれる。導電性の金属酸化物(酸化物半導体)としては、亜鉛、インジウム、スズ及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む導電性酸化物膜が、具体的には錫をドーピングした厚さ50Å〜10μmの酸化インジウム(Indium Tin Oxide;ITO)、ZnO、In2O3、またはSnO2が等が挙げられる。これらは透光性が高いため、特に好ましい。電極の形状としては、矩形状の格子状、ストライプ状など開口部を有する形状としても良い。
n側パッド電極12には、種々の構成を用いることができ、オーミック性、密着性、不純物拡散の防止、ワイヤとの密着性といった事項を考慮して、適宜構成を選択すればよい。例えば、n側半導体層側から順に、n型半導体層とのオーミック接触性と密着性に優れたW、Mo、Ti等から成る第1層と、ワイヤとの密着性に優れた金、Al、白金族等から成るパッド用の第2層とを積層しても良い。例えば、Ti/Au、Ti/Alなどである。また、オーミック用の第1層とパッド用の第2層との間に、バリア層として高融点金属層(W、Mo、白金族)を設けた3層構造としても良い。例えばW/Pt/Au、Ti/Rh(第2層a)/Pt(第2層b)/Au、等である。特に、反射性、バリア性に優れるRhをバリア層として用いると、光取り出し効率が向上して好ましい。また、p側パッド電極としては、半導体層側から順に、Ni/Au、Co/Auの他、ITOなどの導電性酸化物、白金族元素の金属、Rh/Ir、Pt/Pdなどが好適に用いられる。尚、本発明の半導体発光素子においては、p側パッド電極は、さらに延長導電部を設けることが好ましい。これにより、活性層全体を効率よく発光させることができ、特に本発明の半導体発光素子をフェイスアップ実装で設けるときに効果的である。また、p側パッド電極は、透光性電極の上に形成しても、透光性電極に設けた開口部を通じてp側窒化物半導体層と接触するように形成しても良い。
本発明における窒化物半導体発光素子を構成する半導体積層構造の具体例としては、特に限定されないが、例えば次の(1)〜(5)に示すような積層構造が挙げられる。
下記の(1)〜(5)は、いずれも成長基板上に形成され、成長基板としてはサファイアが好ましい。
(b)膜厚1μmのアンドープGaN層、膜厚5μmのSiを4.5×1018/cm3含むGaNからなるn側コンタクト層、3000ÅのアンドープGaNからなる下層と、300ÅのSiを4.5×1018/cm3含むGaNからなる中間層と、50ÅのアンドープGaNからなる上層との3層からなるn側第1多層膜層(総膜厚:3350Å)、
(c)アンドープGaNからなる窒化物半導体層を40ÅとアンドープIn0.1Ga0.9Nからなる窒化物半導体層を20Åとが繰り返し交互に10層ずつ積層され、さらにアンドープGaNからなる窒化物半導体層を40Åの膜厚で形成された超格子構造のn側第2多層膜層(総膜厚:640Å)、
(d)膜厚が250ÅのアンドープGaNからなる障壁層と膜厚が30Åの
In0.3Ga0.7Nからなる井戸層とが繰り返し交互に6層ずつ積層され、さらに膜厚が250ÅのアンドープGaNからなる障壁が形成された多重量子井戸構造の活性層(総膜厚:1930Å)、
(e)Mgを5×1019/cm3含むAl0.15Ga0.85Nからなる窒化物半導体層を40ÅとMgを5×1019/cm3含むIn0.03Ga0.97Nからなる窒化物半導体層を25Åとが繰り返し5層ずつ交互に積層されて、さらにMgを5×1019/cm3含むAl0.15Ga0.85Nからなる窒化物半導体層を40Åの膜厚で形成された超格子構造のp側多層膜層(総膜厚:365Å)、
(f)膜厚が1200ÅのMgを1×1020/cm3含むGaNからなるp側コンタクト層。
(c)アンドープGaNからなる窒化物半導体層を40ÅとアンドープIn0.1Ga0.9Nからなる窒化物半導体層を20Åとが繰り返し交互に10層ずつ積層されてさらにアンドープGaNからなる窒化物半導体層を40Åの膜厚で形成された超格子構造のn側第2多層膜層(総膜厚)640Å)、
(d)最初に膜厚が250ÅのアンドープGaNからなる障壁層と続いて膜厚が30ÅのIn0.3Ga0.7Nからなる井戸層と膜厚が100ÅのIn0.02Ga0.98Nからなる第1の障壁層と膜厚が150ÅのアンドープGaNからなる第2の障壁層が繰り返し交互に6層ずつ積層されて形成された多重量子井戸構造の活性層(総膜厚1930Å)(繰り返し交互に積層する層は3層〜6層の範囲が好ましい)、
(e)Mgを5×1019/cm3含むAl0.15Ga0.85Nからなる窒化物半導体層を40ÅとMgを5×1019/cm3含むIn0.03Ga0.97Nからなる窒化物半導体層を25Åとが繰り返し5層ずつ交互に積層されてさらにMgを5×1019/cm3含むAl0.15Ga0.85Nからなる窒化物半導体層を40Åの膜厚で形成された超格子構造のp側多層膜層(総膜厚365Å)、
(f)膜厚が1200ÅのMgを1×1020/cm3含むGaNからなるp側コンタクト層。さらに、n側に設ける3000ÅのアンドープGaNからなる下層を、下から1500ÅのアンドープGaNからなる第1の層と100ÅのSiを5×1017/cm3含むGaNからなる第2の層と1500ÅのアンドープGaNからなる第3の層とからなる3層構造の下層にすることで、発光素子の駆動時間経過に伴うVfの変動を抑えることが可能となる。
また、本発明の半導体発光素子は、発光素子から光の一部をそれとは異なる波長の光に変換する光変換部材を有していてもよい。これにより、発光素子の光を変換した発光装置を得ることができ、発光素子の発光と変換光との混色光などにより、白色系、電球色などの発光装置を得ることができる。
本実施の形態では、実施の形態1において、レーザスクライブを用いて基板2の分割を行う場合について説明する。その他の点は、実施の形態1と同様である。
図10は、本件発明の実施の形態2に係る窒化物半導体発光素子を示す上面図である。下記に説明する点を除いては実施の形態1と同様である。
本実施の形態では、n側パッド電極12がチップの隅に近い位置に形成されており、n側パッド電極12の一方の側面に沿ってp側層9が延在している。実施の形態1と同様に、p側パッド電極14とn側パッド電極12の中心同士を結ぶ中心線18と、それに直交するn側パッド電極12の接線20を仮想すると、上記p型層9の延在部が仮想接線20よりもpパッド電極14から遠い位置となる。したがって、p型層9の延在部は発光強度が低くなる傾向にあり、特にその先端領域22では発光強度の低下が顕著である。そこで本実施の形態では、p型層9の延在部の先端領域22に先細形状の終端部9aを設けている。また、透光性電極10についても、同様の位置に先細形状の終端部10aを設けている。本実施の形態においても、p側層9と透光性電極10に設けた先細形状の終端部において、端面テーパ角が小さくなるため、発光強度の低下し易い先端領域22の光取り出し効率を高めて、素子全体の発光効率を向上すると共に、全面に均一な発光が実現できる。
図11は、本発明の実施の形態3に係る窒化物半導体発光素子を示す上面図である。下記に説明する点を除いては実施の形態1と同様である。
本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子は、図11に示すように平行四辺形のチップ形状を有する。平行四辺形のチップ形状の場合、一方の対角線上のチップ角部は鈍角となり、他方の対角線側はチップ角部は鋭角となる。この場合は図11に示すように、p側パッド電極14及びn側パッド電極12を平行四辺形チップの鈍角である角部に近づけて配置することが好ましい。このようにすれば、発光強度が低下しやすい角部の光取り出し効率を高めることができる。即ち、p側パッド電極14とnパッド電極12を直線で結ぶ電流経路から離れた領域は基本的に電流密度が小さくなり、発光強度が低下する傾向にあるが、そのような領域である角部23及び26はチップ形状が鋭角であるため、チップに沿ってp側層9をエッチングすれば、p側層9に先細形状の終端部が形成されることになる。また、透光性電極10もp側層9と相似形状とするため、透光性電極10にも先細形状の終端部が形成される。従って、発光強度が低下し易いチップ角部23及び26において、端面のテーパ角を小さくして、光取り出し効率を高めることができる。
図12は、本発明の実施の形態4に係る窒化物半導体発光素子を示す上面図である。下記に説明する点を除いて、実施の形態3と同様である。
本実施の形態では、まず第1に、一方のチップ角部に近い領域23から、さらにn側パッド電極12に向かってp側層9を延ばし、その先端の領域24に先細形状の終端部を設ける。このようにすることによって、発光強度の低下しやすい末端部の光取り出し効率を高めながら、透光性電極10の形成面積を広げて、一層均一な発光が実現できる。
本実施の形態では、上記実施の形態1乃至4と異なり、p側層9や透光性電極10の平面形状は従来のまま、相対的に発光が弱くなる領域においてp側層9や透光性電極10の端面テーパ角を小さくように制御する。図13A乃至Fは、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の形状のバリエーションを示す上面図である。相対的に発光が弱くなる領域は、n側パッド電極とp側パッド電極の配置や、透光性電極の抵抗値によっても変化するが、一般的にp側パッド電極とn側パッド電極を直線で結んだ電流経路から離れるほど発光強度が低下し易い。即ち、基本的にp側パッド電極から遠い位置ほど発光強度が低くなり易く、その中でもn側パッド電極からも遠い位置の発光強度が低くなり易い。
図14A及びBは、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を示す上面図及び断面図である。本実施の形態に窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体と異なる異種基板を有しておらず、n側窒化物半導体層4、活性層6及びp側窒化物半導体層8から成り、p側窒化物半導体層の上面に透光性電極10が形成され、さらにp側パッド電極14が形成されており、n側窒化物半導体層の下面にn側パッド電極12が形成されている。このような構造の窒化物半導体発光素子は、例えば、n側窒化物半導体の一部としてGaN基板を用いることで製造できる。
図15A及びBは、実施の形態8に係る窒化物半導体発光素子を示す上面図及び断面図である。尚、図15Bでは、図面の簡単のために絶縁保護膜16は省略している。本実施の形態では、p側層9と素子外周と間の領域に半導体層の突起群54を形成することによって、素子周辺部における光取出し効率を一層高める。その他の点は、実施の形態1と同様である。尚、以下では、窒化物半導体発光素子を電極形成面側からみて、透光性電極10を有する部分のp側層9を第1の領域、第1の領域と素子外周に囲まれた領域を第2の領域と称する。図15Aに示すように、第1の領域は、第2の領域に囲まれている。また、第2の領域は素子の外周に囲まれている。
1.n側層4(特にn側コンタクト層)内を導波する光が、n側層4から凸部54の内部に取り込まれ、凸部54の頂部又はその途中部分から光が観測面側に取り出される。
2.活性層6の端面から側方に出射された光が、複数の凸部54により反射散乱され観測面側へ取り出される。
3.n側層4(特にn側コンタクト層)内を導波する光が、凸部54の根本(n側層4と凸部54の接続部分)付近にて凸部54の側面で乱反射され、観測面側へ光が取り出される。
また、凸部54の上面が一定の面積を持つ平面である場合、凸部54の上面の略中央部に凹みをつけても良い。これにより、n側層4内を導波してきた光が凸部54の内部に侵入した際に、凸部54の上面に形成された凹みによって観測面側に光が出射されやすくなる。
図16は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子を示す上面図である。本実施の形態では、実施の形態8において、n側パッド電極12を囲む部分のp側層9に複数の突出部9aを設けている。この突出部9aの形成により、電流が通過して発光する領域を有する第1の領域を増やしている。さらに、各突出部9aを先細形状としているため、突出部9aの端面で光を乱反射させることができ、光取り出し効率が向上する。さらに、各突出部9aの終端部の端面におけるテーパ角が小さくなり、当該領域からの光取り出し効率が向上する。
<半導体層の形成>
まず、直径2インチ、C面を主面とするサファイア基板をMOVPE反応容器内にセットし、温度を500℃にしてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア(NH3)を用い、Al0.1Ga0.9Nよりなるバッファ層を100Åの膜厚で成長させる。バッファ層形成後、温度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アンドープGaN層を1.5μmの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において下地層(成長基板)として作用する。
アニール後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成して、p側層9のp側パッド電極14から離れた位置に先細形状(W/Lは約1.2)の終端部9aを形成する。その終端部9aが他の終端部よりもテーパ角が小さくなるように、p側層9をエッチングし、n側コンタクト層の一部を露出させる。このとき先細形状の終端部9aにおける端面テーパ角は約27°となる。
マスクを除去した後、スパッタ装置にウェハを設置し、In2O3とSnO2との焼結体からなる酸化物ターゲットをスパッタ装置内に設置する。スパッタ装置によって、酸素ガス雰囲気中、スパッタガスとしてアルゴンガスと酸素との混合ガス(20:1)で、例えば、RFパワー10W/cm2で20分間スパッタリングし、引き続き、RFパワーを2W/cm2に変更して20分間スパッタリングすることにより、ITOよりなる透光性電極10を、膜厚5000Åで形成する。透光性電極10を形成後、上記と同様に透光性電極10上に、p側パッド電極14から離れた位置に先細形状(W/Lは約0.86)の終端部を有するマスクを設け、そのマスクの上からエッチングする。このとき先細形状の終端部10aにおける端面テーパ角は約60°となる。
まず、実施例1と同様にして窒化物半導体発光素子を形成した後、サファイア基板2を裏面から研磨した厚さ85μmにする。次に、サファイア基板2を裏面が上面になるように粘着シート40に固定する。そして、波長355nm、ビーム径5μmのYAGレーザビームをサファイア基板2の裏面上で走査させ、表面での幅が約10μm、深さが約47μmの分離溝を形成する。次に、サファイア基板2の裏面からブラスト加工を行い、分離溝内に付着した溶融再固化物を除去する。ブラスト加工には、直径が約4μmのAl2O3を用いる。そしてサファイア基板2の裏面からローラブレーキングを行い、個々のチップに分割する。チップサイズは、短手方向に150μmで、長手方向に250μmとなるようにする。
実施例4においてレーザスクライブを行い、さらにローラブレーキングを行った後、粘着シート40をエキスパンドして素子同士の間隔を広げる。そして、サファイア基板2の裏面からブラスト加工を行う。ブラスト用の砥粒には直径40μmのAl2O3を用いる。ブラスト加工の砥粒が実施例4に比べて大きいため、より短時間でブラスト加工を終えることができる。このようにして得られた窒化物半導体発光素子は、サファイア基板2の側面の裏面側2bの変質層が実施例4よりも良好に除去されている。また、実施例4と同様に、サファイア基板2の側面の裏面側2bが斜めに傾斜しており、素子周辺部における光の取出し効率が向上する。尚、サファイア基板2の側面の裏面側領域2bにおける表面粗さは約1.1μmであり、サファイア基板2の裏面の表面粗さ(約0.5μm)の2倍であった。
4 n側窒化物半導体層、
6 活性層、
8 p側窒化物半導体層、
10 透光性電極、
12 n側パッド電極、
14 p側パッド電極、
16 絶縁膜
18 パッド電極中心線
20 接線
Claims (4)
- 長方形の基板と、
前記基板上に形成されたn側窒化物半導体層、活性層及びp側窒化物半導体層と、
前記p側窒化物半導体層上に形成された透光性電極と、
前記p側窒化物半導体層上に形成された、外部回路とワイヤボンディングにより接続するためのp側パッド電極と、
前記p側窒化物半導体層と前記活性層の一部を除去して露出した前記n側窒化物半導体層上に形成された、外部回路とワイヤボンディングにより接続するためのn側パッド電極と、
を備えた窒化物半導体発光素子であって、
基板上面から見て、前記n側パッド電極と前記p側パッド電極の中心同士を結ぶ中心線と、その中心線に直交する前記n側パッド電極の接線であって前記p側パッド電極に近い方の接線とを仮想して、
前記p側窒化物半導体層及び前記活性層は、前記接線よりも前記p側パッド電極から遠く、前記n側パッド電極と前記基板の短辺に挟まれた領域に、先細形状の終端部であって三角形で近似した場合に終端を挟む両辺のつくる角度が90度未満である終端部を有し、
前記先細形状の終端部において、前記基板主面に垂直な面内において前記p側窒化物半導体層及び前記活性層の端面が素子内側で前記基板主面との間で成すテーパ角を、前記p側窒化物半導体層の上面における発光強度分布をみたときに発光強度の最も強い領域に比べて小さく、かつ、50度以下とし
前記基板主面に直交する断面において、前記基板の側面が、前記基板の主面に略垂直な直交面と該直交面に対して斜めに傾斜した傾斜面とを有し、前記p側窒化物半導体層及び前記活性層の端面と前記基板の傾斜面とが、素子外周に向かって互いに近づくように傾斜していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 前記基板の短手方向において、前記p側パッド電極が接続されているp側窒化物半導体層の幅をX、前記p側パッド電極の最大幅をRpと、前記n側パッド電極の最大幅をRnして、X<2RpかつX<2Rnの関係を充足することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記透光性電極と素子外周との間において、窒化物半導体から成る複数の凸部を形成したことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記直交面の表面粗さが、前記傾斜面よりも小さいことを特徴とする請求項1又は2に記載の窒化物半導体発光素子。
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