JP4620027B2 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系半導体発光素子に関し、さらに詳細には、同一の単位面積のＬＥＤチップサイズ内で低い駆動電圧を具現できる窒化物系半導体発光素子に関する。

一般に、ＧａＮなどの窒化物系半導体は、優れた物理的、化学的特性により、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザーダイオード（ＬＤ）などの発光素子の核心素材として注目されつつある。このような窒化物系半導体には、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-X-Y)Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する物質が広く用いられている。

一方、前記窒化物系半導体発光素子は、従来の電流拡散効率を向上させるために、主に正四角形のＬＥＤチップの形態で形成したが、最近、特定パッケージの形状、例えば、サイドビュー（ｓｉｄｅ ｖｉｅｗ）表面実装型パッケージの場合、Ｘ軸又はＹ軸のサイズが次第に減少しており、それにより、長方形のＬＥＤチップの形態で形成する。

しかしながら、前記長方形のＬＥＤチップは、Ｘ軸又はＹ軸のサイズ減少により、発光のための一定水準に該当する発光面積が減少し、コンタクト抵抗が増加して駆動電圧が増加するという問題がある。

以下、図１を参照して、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子の問題について詳細に説明する。

同図は、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子の問題を説明するために示した図であって、長方形のそれぞれのＬＥＤチップのサイズ変化に応じる駆動電圧の変化を説明するための図である。

同図に示すように、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子は、長方形ＬＥＤチップのＸ軸とＹ軸のサイズ変化に応じて、（イ）、（ロ）、（ハ）及び（ニ）の形態で形成されており、ＬＥＤチップのサイズが（ニ）から（イ）に変化するにつれて、すなわち、長方形ＬＥＤチップのサイズが次第に小型化するほど、駆動電圧（Ｖ）の大きさは、次第に高くなることが分かる。

さらに詳細には、まずＸ軸のサイズが６１０μｍで同一であり、Ｙ軸のサイズが２１０μｍと３００μｍで互いに異なる（イ）と（ハ）を比較すれば、３００μｍのＹ軸サイズを有する（ハ）の駆動電圧に比べて、これよりも９０μｍ小さい２１０μｍのＹ軸サイズを有する（イ）の駆動電圧がより高いことが分かる。

また、Ｘ軸のサイズが６１０μｍと６６０μｍで互いに異なり、Ｙ軸のサイズが３００μｍで同一である（ハ）と（ニ）を比較すれば、６６０μｍのＸ軸サイズを有する（ニ）の駆動電圧に比べて、これよりも５０μｍ小さい６１０μｍのＸ軸サイズを有する（ハ）の駆動電圧がより高いことが分かる。

このように、従来の技術に係る長方形のＬＥＤチップは、Ｘ軸又はＹ軸のサイズが減少するにつれて発光面積が減少し、すなわち長方形のＬＥＤチップが小型化するにつれて駆動電圧が増加する。

したがって、前記長方形ＬＥＤチップの駆動電圧を向上させることができる発光素子関連技術の開発が継続して求められている。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ｐ型電極とｎ型電極との間の距離を同一に維持して、電流拡散効率を向上させることによって、同一の単位面積のＬＥＤチップサイズ内で低い駆動電圧を具現できる窒化物系半導体発光素子を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る窒化物系半導体発光素子によれば、基板と、前記基板上に形成されているｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上の所定領域に形成されている活性層と、前記活性層上に形成されているｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に形成されている透明電極と、前記透明電極上に２つのｐ型枝電極を有して形成されているｐ型電極と、前記活性層が形成されていないｎ型窒化物半導体層上に、一個のｎ型枝電極を有して形成されているｎ型電極とを備え、前記ｎ型枝電極が、前記２つのｐ型枝電極の間に挿入された構造で形成されており、前記ｎ型枝電極の両側辺と隣接した前記透明電極の最外郭の辺と、前記２つのｐ型枝電極とは互いに平行であり、前記２つのｐ型枝電極から、前記ｎ型枝電極の両側辺と隣接した前記透明電極の最外郭の辺までの最短距離と、前記ｎ型枝電極の端部に隣接した前記透明電極の最外郭の辺の中心から、前記２つのｐ型枝電極を除いた前記ｐ型電極の部分の側辺までの最短距離が互いに実質的に同一である、ことを特徴とする。

また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子において、前記ｐ型電極が、前記透明電極の最外郭の辺から所定間隔が離隔されて形成されていることが好ましい。

これは、前記ｐ型電極とｎ型電極との間の距離を最小化させることにより、電流拡散効率をさらに向上させるためのものである。

本発明によれば、前記透明電極１７０上にｐ型電極の枝電極を透明電極の最外郭の辺に沿って均一に取り込まれるように配置することによって、透明電極とｎ型窒化物系半導体層との面抵抗の差により発生する局部的な電流集中現象を最小化することができる。

また、本発明によれば、前記ｐ型電極の間にｎ型電極が所定間隔で離隔されて挿入されている構造に配置し、ｐ型電極とｎ型電極との間の距離を同一に維持して電流拡散効率を向上させることによって、同一の単位面積のＬＥＤチップサイズ内で低い駆動電圧を具現できる窒化物系半導体発光素子が提供される。

したがって、本発明は、窒化物系半導体発光素子の輝度特性を向上させ、劣化率は減少させることにより、素子の特性及び信頼性を向上させることができるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。

図面において、複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体を通じて、類似した部分に対しては、同一の符号を付している。

以下、本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、図面を参考にして詳細に説明する。

まず、図２〜図４を参照して、本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体発光素子の構造について詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の構造を示す平面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ´断面図であり、図４は、図２に示す窒化物系半導体発光素子の発光写真である。

図２と図３を参照すれば、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、光透過性基板１００、該基板１００上にバッファ層１１０、ｎ型窒化物半導体層１２０、活性層１３０、及びｐ型窒化物半導体層１４０が順次積層されて形成された発光構造物を備える。

前記基板１００は、窒化物半導体単結晶を成長させるのに適した基板であって、好ましくは、サファイアを含む透明な材料を利用して形成し、サファイアの他に、基板１１０は、ジンクオキサイド（ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ，ＺｎＯ）、ガリウムナイトライド（ｇａｌｌｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ，ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ，ＳｉＣ）、及びアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）で形成することができる。

前記バッファ層１１０は、前記基板１００上にｎ型窒化物半導体層１２０を成長させる前に前記サファイア基板１１０との格子整合を向上させるための層であって、一般にＡｌＮ／ＧａＮで形成されている。

前記ｎ型窒化物半導体層１２０、ｐ型半導体層１４０、及び活性層１３０は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ組成式（ここで、０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）を有する半導体物質からなることができる。より詳細には、前記ｎ型窒化物半導体層１２０は、ｎ型導電形不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなるものであってもよく、ｎ型導電形不純物には、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎなどを使用し、好ましくは、Ｓｉを主に使用する。また、前記ｐ型窒化物半導体層１４０は、ｐ型導電形不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなるものであってもよく、ｐ型導電形不純物には、例えば、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｂｅなどを使用し、好ましくは、Ｍｇを主に使用する。そして、前記活性層１３０は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ層からなるものであってもよい。

一方、前記活性層１３０は、１つの量子井戸層又はダブルヘテロ構造で形成することができる。

また、前記活性層１３０とｐ型窒化物半導体層１４０の一部は、メサエッチングにより除去されて、底面に形成されたｎ型窒化物半導体層１２０の一部上面を露出している。

前記露出されたｎ型窒化物半導体層１２０上には、ｎ型電極１６０が形成されている。本実施の形態に係る前記ｎ型電極１６０は、電流拡散特性を向上させるために、１個のｎ型枝電極１６０´を有している。

前記ｐ型窒化物半導体層１４０上には、透明電極１７０が形成されている。このとき、前記透明電極１７０は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のような導電性金属酸化物のみではなく、発光素子の発光波長に対して透過率が高い場合、導電性が高く、かつコンタクト抵抗が低い金属薄膜でも形成することができる。

一方、前記透明電極１７０が金属薄膜からなっている場合には、透過率を確保するために、金属の膜厚を５０ｎｍ以下に維持することが好ましく、例えば、膜厚１０ｎｍのＮｉと膜厚４０ｎｍのＡｕが順次積層されている構造を有することができる。

そして、前記透明電極１７０上には、ｐ型電極１５０が形成されている。本実施の形態に係る前記ｐ型電極１５０は、電流拡散特性を向上させるために、２個のｐ型枝電極１５０´を有している。

ここで、前記２個のｐ型枝電極１５０´は、水平型ＬＥＤチップの特性上、前記透明電極１７０の面抵抗（Ｒｓ）が前記ｎ型窒化物系半導体層１２０の面抵抗より大きいことによって発生する局部的な電流集中現象を最小化するために、前記透明電極１７０の最外郭の辺に沿って均一に取り囲まれるように形成されており、前記２個のｐ型枝電極１５０´と１個のｎ型枝電極１６０´は、前記２個のｐ型枝電極１５０´の間にｎ型枝電極１６０´が挿入されている構造で形成されている。

また、本実施の形態では、透明電極１５０とｎ型窒化物半導体層１２０との互いに異なる面抵抗（Ｒｓ）により発生する局部的な電流集中現象を最小化するために、前記ｎ型電極１６０と隣接した透明電極１７０の最外郭の辺からそれと隣接したｐ型電極１５０までの距離が、前記ｐ型電極１５０のどの地点においても同一に形成されていることが好ましい。例えば、図２に示すように、ａ，ｂ，ｃ，ｄ及びｅが同じ距離を有することが好ましい。

その結果、図４に示すように、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の電流拡散効率を向上させて、最近、長方形のＬＥＤチップが小型化するにつれて増加している発光素子の駆動電圧を減少させることにより、優れた駆動電圧の特性を確保することが可能である。上記のように、駆動電圧が減少すれば、消費電力も減少させることができるため、窒化物半導体の発光素子を駆動する際、不要な熱の発生を減少させるようになって、素子の劣化を最小化することができる。

以下、本発明の一実施の形態に係るｎ型電極１６０とｐ型電極１５０について、図５及び図６を参考にして詳細に説明する。

図５は、本発明に係る窒化物半導体発光素子のチップサイズに応じる駆動電圧変化を説明するために示した図であり、図６は、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子の輝度と、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の輝度とを比較して示した図である。

まず、図５に示すように、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、長方形ＬＥＤチップのＸ軸とＹ軸のサイズ変化に応じて、（ホ）、（ヘ）、（ト）及び（チ）で形成されており、ＬＥＤチップのサイズが（チ）から（ホ）に変化されるにつれて、すなわち、長方形ＬＥＤチップのサイズが次第に小型化するほど、駆動電圧（Ｖ）の大きさは、次第に高くなることが分かる。

しかしながら、本発明に係る互いに異なる電極のうちのいずれかの電極が他の一方の電極の間に挿入されている構造を有する窒化物系半導体発光素子は、従来の技術によって製造された窒化物系半導体発光素子（図１参照）と比較すれば、同じ大きさの長方形ＬＥＤチップにおいて現れる駆動電圧の大きさがより低いことが分かる。

このように、駆動電圧の大きさが低くなれば、電流拡散効率も向上して、優れた窒化物系半導体発光素子の輝度特性を得ることができる。

図６は、同一のサイズの長方形ＬＥＤチップに対して、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子の輝度と、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の輝度特性とを比較して示した図であって、Ｘ軸のサイズが６６０μｍであり、Ｙ軸のサイズが２７０μｍである（ロ）と（ヘ）、Ｘ軸のサイズが６１０μｍであり、Ｙ軸のサイズが３００μｍである（ハ）と（ト）、及びＸ軸のサイズが６６０μｍであり、Ｙ軸のサイズが３００μｍである（ニ）と（チ）の輝度特性を比較した。このとき、（ロ）、（ハ）及び（ニ）は、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子であり、（ヘ）、（ト）及び（チ）は、本発明に係る窒化物系半導体発光素子である。

すなわち、図６を参照すれば、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の輝度特性が、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子の輝度特性に比べて優れていることが分かる。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子の問題点を説明するために示す図である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の構造を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ´断面図である。 図２に示す窒化物系半導体発光素子の発光写真である。 本発明に係る窒化物半導体発光素子のチップサイズに応じる駆動電圧変化を説明するために示す図である。 従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子の輝度と、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の輝度とを比較して示す図である。

符号の説明

１００ 基板
１１０ バッファ層
１２０ ｎ型窒化物半導体層
１３０ 活性層
１４０ ｐ型窒化物半導体層
１５０ ｐ型電極
１５０´ ｐ型枝電極
１６０ ｎ型電極
１６０´ ｎ型枝電極
１７０ 透明電極
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ 距離

Claims (2)

1. 基板と、
   前記基板上に形成されているｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層上の所定領域に形成されている活性層と、
   前記活性層上に形成されているｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｐ型窒化物半導体層上に形成されている透明電極と、
   前記透明電極上に２つのｐ型枝電極を有して形成されているｐ型電極と、
   前記活性層が形成されていないｎ型窒化物半導体層上に、一個のｎ型枝電極を有して形成されているｎ型電極と
   を備え、
   前記ｎ型枝電極は、前記２つのｐ型枝電極の間に挿入された構造で形成されており、
   前記ｎ型枝電極の両側辺と隣接した前記透明電極の最外郭の辺と、前記２つのｐ型枝電極とは互いに平行であり、
   前記２つのｐ型枝電極から、前記ｎ型枝電極の両側辺と隣接した前記透明電極の最外郭の辺までの最短距離と、前記ｎ型枝電極の端部に隣接した前記透明電極の最外郭の辺の中心から、前記２つのｐ型枝電極を除いた前記ｐ型電極の部分の側辺までの最短距離が互いに実質的に同一であり、
   前記２つのｐ型枝電極から、前記ｎ型枝電極の両側辺と隣接した前記透明電極の最外郭の辺までの最短距離と、前記２つのｐ型枝電極の端部から、前記ｎ型枝電極を除いた前記ｎ型電極の部分に隣接した前記透明電極の最外郭の辺までの最短距離が互いに同一である
   ことを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 前記ｐ型電極は、前記透明電極の最外郭の辺から所定間隔が離隔されて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。