JP4488514B2 - 放射線を放射する半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載された放射線を放射する半導体素子に関する。

本発明は殊に、フォトンを放射する活性層、ｎ型ドープされたクラッド層及びｐ型ドープされたクラッド層を有する層構造と、ｎ型ドープされたクラッド層と接続したｎ型コンタクトと、ｐ型ドープされたクラッド層と接続したリフレクター層とを有する放射線を放射する半導体素子に関する。

本特許出願はドイツ国特許出願第１０２４４２００．２号の優先権を主張して、これに関したその開示内容が引用によって取り入れられる。

放射線を放射する半導体素子、例えばＩｎＧａＮベースとしたトップダウンにマウントされた発光ダイオード又は薄膜発光ダイオードの場合の使用のためには、高反射性のリフレクター材料が必要で、これは活性区域から素子裏側へと向かって放射された放射線を再び表側に向かって又は素子側面に向かって反射する。

トップダウンにマウントされた発光ダイオードの場合は放射線を発生させるエピタキシー積層体はマウント側に向かって向いていて、即ち素子は、まだ成長基板が残っている場合には、成長基板を通って放射する。薄膜発光ダイオードの場合には、放射線を発生させるエピタキシー積層体のエピタキシャル成長のための成長基板は、少なくとも部分的に除去されていて、エピタキシー積層体は後から設けられた担体基板の上にある。

窒化物−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料をベースとする、殊にＧａＮ、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＧａＡｌＮ並びにＧａＮ自体もベースとする発光ダイオードのためには、リフレクター材料は更に層構造のｐ型ドープされた層に対してオーム接触を形成しなくてはならない。

この場合、青色スペクトル領域において良好に反射する金属、例えばアルミニウムは、ｐ型ＧａＮ又はそれに類似の材料、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮ及びｐ型ＩｎＧａＡｌＮに対してオーム接触を形成できないという問題がある。他方では、良好な接触をｐ型ＧａＮ等に対して形成する材料、例えば白金又はパラジウムは、青色スペクトル領域において吸収し、従ってリフレクター材料として適していない。銀のみが十分な程度に反射し、ｐ型ＧａＮ等の接触のためにも適している。但し、ここでは銀層の機械的な安定性は発光ダイオードにおいて不十分であるという欠点がある。

窒化物−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料をベースとする放射線を放射する素子のグループには、通例は様々な単層からなる積層体を有するエピタキシャルに製造された半導体層が、窒化物−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系からの材料、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１及びｘ＋ｙ≦１）を有する少なくとも１種類の単層を含有するチップが特に当てはまる。半導体層は例えば慣例のｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有していてよい。そのような構造は当業者に公知であり、従ってここでは詳細には説明されない。

短波長の、ＩｎＧａＡｌＰをベースとする薄膜発光ダイオードの場合にも、リフレクター材料の選択は難しい。現在しばしばリフレクター材料として使用される金は、その比較的低い反射性に基づいて、これらのダイオードの効率を制限する。反射性の観点からより良好に適した銀は、これまでその不十分な接着のために及びマイグレーションの問題に基づいて使用されなかった。

これらの難点を除去するための発想は、アルミニウムリフレクターを使用し、この場合電気的な接続は白金層によって形成され、光学的な特性はアルミニウムによって付与されていることにある。また、更なる金属によってウエハの反対側に取り付けられる銀は析出されてもよい。

本発明の基礎となる課題は、改良されたリフレクター層を有する、導入部で述べられた種類の放射線を放射する半導体素子を挙げ、従ってこれらの素子の効率及び性能を高めることである。

これらの課題は請求項１の特徴を有する放射線を放射する半導体素子によって解決される。有利な実施態様は２〜１３の引用形式請求項において述べられている。

本発明により、前提部に記載の放射線を放射する半導体素子の場合には、リフレクター層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、及びＣｒのグループの１種類又は数種類の金属を有する、銀の合金により形成されている。これらの金属の混合により、純粋な銀と比較して層の反射性を減少させずに、銀層の機械的な特性は大幅に改良されることが可能である。同時に、隣接する半導体層中への銀の分散は減少される。

本発明による放射線を放射する半導体素子の有利な実施態様において、リフレクター層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔのグループの１種類又は数種類の金属と、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒのグループの１種類又は数種類の金属とを有する、銀の合金により形成されている。そのような三元合金は所望の短波長スペクトル領域において高反射性も、十分な機械的安定性をも示す。

リフレクター層はＡｇＰｔＣｕ合金によって形成されている場合に殊に有利であると見なされる。この合金は青色スペクトル領域における高反射性と、高い機械的及び熱的な安定性とを調和させる。

有利にはこの関連において、リフレクター層の合金は、銀の他に挙げられた金属を総量で０．１質量％〜１５質量％、有利には１質量％〜５質量％を含有することが考慮されている。

本発明による放射線を放射する半導体素子の有利な実施態様においては、リフレクター層の合金は、銀の他にＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔのグループの１種類又は数種類の金属０．５〜５質量％と、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒのグループの１種類又は数種類の金属０．５〜５質量％とを含有することが考慮されている。

殊にこの場合放射線を放射する半導体素子のリフレクター層の合金は、銀の他に白金１〜３質量％及び銅１〜３質量％を含有する。

本発明の有利な実施態様においてリフレクター層は、ｐ型ドープされたクラッド層とオーム接触を形成し、従ってリフレクター層は同時にｐ型コンタクト層の機能を引き受けてもよい。

リフレクター層の本発明による実施態様は、放射線を発生させる層構造がＩｎＧａＡｌＮ又はＩｎＧａＡｌＰをベースとして形成されている、放射線を放射する半導体チップ、殊に薄膜発光ダイオードチップにおける使用に殊に適している。特にＩｎＧａＡｌＮベースとした発光ダイオードの場合には銀を含有する合金によってオーム接触が製造されてもよい。従ってリフレクター金属被覆は直接光を発生させる層の上に製造されてもよい。

薄膜発光ダイオードチップは殊に次の特有の特徴において優れている：
−放射線を発生させるエピタキシー積層体の、担体に向かって向いた第１の主面に反射性の層が設けられているか又は形成されていて、これはエピタキシー積層体中で発生された電磁線の少なくとも一部をこれらの中に反射し返す；
−エピタキシー積層体は２０μｍ又はそれより少ない範囲、殊に１０μｍの範囲の厚さを有する；
及び
−エピタキシー積層体は、混合構造を有する少なくとも１つの表面を有する、少なくとも１種類の半導体層を含有し、前記混合構造は理想的にはエピタキシャルなエピタキシー積層体中において近似的に光のエルゴード分布に導き、即ちこれは可能な限りエルゴードの確率的散乱挙動を示す。

薄層発光ダイオードチップの根本原理は例えばＩ．Ｓｃｈｎｉｔｚｅｒ ｅｔ ａｌ．、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６３（１６）、１８．Ｏｋｔｏｂｅｒ １９９３、２１７４−２１７６に記載されていて、その開示内容はこの点ではこれに関して引用によって取り入れられる。

薄膜発光ダイオードチップは近似的にＬａｍｂｅｒｔの表面放射体であり、従って特に良好に投光装置における使用に適している。

“ＩｎＧａＡｌＰをベースとする放射線を発生させる層構造”はこれらの関連において、そのように呼ばれた層構造又はそのような層構造の一部は特にＡｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｐ（０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１及びｎ＋ｍ≦１）を含有することを示す。この場合この材料は必ずしも上述の式に従った数学的に正確な組成物を有する必要はない。更にこれは材料の物理的な特性を基本的には変化させない１種類又は数種類のドーパント並びに付加的な成分を有してもよい。

“ＩｎＧａＡｌＮをベースとする放射線を発生させる層構造”はこれらの関連において、そのように呼ばれた層構造又はそのような層構造の一部は特にＡｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｎ（０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１及びｎ＋ｍ≦１）を含有することを示す。この場合この材料は必ずしも上述の式に従った数学的に正確な組成物を有する必要はない。更にこれは材料の物理的な特性を基本的には変化させない１種類又は数種類のドーパント並びに付加的な成分を有してもよい。

本発明の、更なる有利な実施態様、特徴及び詳細は、従属請求項、実施例の記載及び図面から生じる。

本発明は次に実施例に基づいて図面と関連して詳細に説明される。これはそのつど本発明の理解のために本質的な要素のみが図示されている。この場合図１は本発明の実施例に従った、放射線を放射する半導体素子の図式的な断面図を示す。

図１は図式的な断面図において青色スペクトル領域において放射するＩｎＧａＮ発光ダイオード１０を示す。発光ダイオード１０は、ｎ型ドープされたクラッド層１４、フォトンを放射する活性層１６、及びｐ型ドープされたクラッド層１８を有する層構造１２を含有する。

ｎ型ドープされたクラッド層１４の上には電流供給のためのｎ型コンタクト２２が配置されている。ｐ型コンタクトは実施例においてｐ型コンタクト層２０によって形成され、これは同時に高反射性のリフレクター層であり、前記リフレクター層は、発生された放射線の、活性層１６からリフレクター層の方向に放射された部分を反射する。

リフレクター層２０は実施例において、白金約１．５質量％及び銅約１．５質量％の成分を有するＡｇＰｔＣｕ合金からなる。これらの合金は一方ではｐ型ＧａＮクラッド層１８と良好なオーム接触を形成する。他方では銀への白金及び銅の混合により銀層の機械的な特性は明らかに改良される。青色スペクトル領域におけるリフレクター層の高反射性はこの場合保持されたままである。更にＡｇＰｔＣｕ層２０からｐ型ドープされたクラッド層１８への銀原子の分散はほとんど起こらず、従って結果的に高反射性の安定なｐ型コンタクト層が得られる。

ＡｇＰｔＣｕ合金からのそのようなリフレクター層は更にＩｎＧａＡｌＰ薄膜発光ダイオードにおける使用にも適していて、ここではこれは高反射性及び熱的に安定な金属リフレクターとしてＬＥＤの効率を高めるのに寄与する。

またリフレクター層はＡｇＰｔＲｈＣｕ合金、ＡｇＰｔＣｕＴｉ合金又はＡｇＰｔＲｈＣｕＴｉ合金又は、例えば明細書の一般的な部分において挙げられているような他の有利な合金からなってもよい。

本発明の、前記の明細書において、図面において並びに請求項において開示された特徴は、単独でも又は任意の組み合わせにおいても、本発明の実現のために本質的である。

図１は本発明の実施例に従った放射線を放射する半導体素子の図式的な断面図を示す。

Claims (8)

1. −ｎ導電型にドープされたクラッド層（１４）とｐ導電型にドープされたクラッド層（１８）との間に配置されている、少なくとも１種類のフォトンを放射する活性区域（１６）を有する層構造（１２）、
   −ｎ導電型にドープされたクラッド層（１４）と接続したｎ型コンタクト、及び
   −ｐ導電型にドープされたクラッド層（１８）の、活性区域（１６）とは反対側に配置されたリフレクター層（２０）、
   を有する半導体発光素子において、リフレクター層（２０）は、ＡｇＰｔＣｕ合金により形成され、リフレクター層（２０）の合金は、銀の他に挙げられた金属を総量で０．１質量％〜１５質量％含有することを特徴とする、半導体発光素子。
2. リフレクター層（２０）の合金は、銀の他に挙げられた金属を総量で１質量％〜５質量％有することを特徴とする、請求項１記載の半導体発光素子。
3. リフレクター層（２０）の合金は、銀の他に白金１〜３質量％及び銅１〜３質量％を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. リフレクター層（２０）は、ｐ導電型にドープされたクラッド層（１８）と、又は前記リフレクター層及びクラッド層（１８）の間に配置された更なるｐ導電型にドープされた半導体層とオーム接触を形成することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
5. 層構造（１２）は、窒化物−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料をベースとして形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
6. 層構造（１２）は、ＩｎＧａＡｌＮをベースとして形成されていることを特徴とする、請求項５記載の半導体発光素子。
7. 層構造（１２）は、リン化物−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料をベースとして形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の半導体発光素子。
8. 層構造（１２）は、ＩｎＧａＡｌＰをベースとして形成されていることを特徴とする、請求項７記載の半導体発光素子。

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