JP4762849B2 - 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、大面積の窒化物系半導体発光素子の電流拡散効率を向上させることにより、低い駆動電圧を実現することができる窒化物系半導体発光素子に関する。

一般に、窒化物系半導体は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１である）の組成式を有するＩＩＩ−Ｖ族の半導体結晶であって、短波長光（紫外線又は緑色光）、特に、青色光を出すことのできる発光素子に広く用いられる。

一方、前記窒化物系半導体発光素子は、結晶成長のための格子整合条件を満たすサファイア基板やＳｉＣ基板などの絶縁性基板を利用して製造されることから、ｐ型及びｎ型窒化物半導体層に接続した２つの電極が、発光構造の上面に略水平に配列する水平構造を有する。

最近、このような水平構造を有する窒化物系半導体発光素子を照明光源として利用するために、高輝度化が求められ、このような高輝度化を達成するために、大電流で動作し得る大面積の窒化物系半導体発光素子を製作している。

しかしながら、このような水平（ｐｌａｎａｒ）構造を有する大面積の窒化物系半導体発光素子は、２つの電極が発光構造物の上下面にそれぞれ配置された垂直（Ｖｅｒｔｉｃａｌ）構造を有する窒化物系半導体発光素子に比べて、電流の流れが全体発光領域において均一に分布できないため、発光に用いられる有効面積もまた大きくないことから、発光効率が低いという問題がある。

また、前記水平構造を有する大面積の窒化物系半導体発光素子に大電流を印加するようになれば、印加された電流が熱に変換し、素子の温度を上昇させることによって、素子の駆動電圧及び特性を減少させるという問題がある。

以下、図１を参照しつつ、従来の技術に係る水平構造を有する大面積の窒化物系半導体発光素子の問題点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（ＬＥＤ）の電極及び活性領域を示す配置図である。

同図に示すように、基板上に順次積層されたｎ型窒化物半導体層１２０、活性層及びｐ型窒化物半導体層（図示せず）からなる発光素子の上面が示されている。

前記発光素子の上面には、ｐ型窒化物半導体層（反射電極１７０が形成された場合には、反射電極）及びｎ型窒化物半導体層１２０にそれぞれ接続したｐ型電極１６０及びｎ型電極１５０が形成されている。

前記ｎ型電極１５０は、２つの電極パッド１５５及びそれから伸びた多数の枝電極１５０´，１５０´´を備え、前記ｐ型電極１６０と互いに噛み合う構造すなわち、フィンガー（ｆｉｎｇｅｒ）状の構造で形成されている。このとき、前記ｐ型電極１６０は、前記ｎ型電極１５０の枝電極１５０´，１５０´´を介して発光面積が分割されるように分割されている。

すなわち、前記ｎ型電極上に２つのｎ型電極パッドを具備し、大電流が印加される際に、印加される電流を分散させ、ｎ型電極から伸びた多数の枝電極及びｐ型電極をフィンガー状に配置し、電流拡散の効率を向上させることにより、大電流を印加することによる素子の不良を防止していた。

しかしながら、上記のような従来の大面積の窒化物系半導体発光素子は、２つのｎ型電極パッドを具備し、印加される大電流を分散させることで、素子が駆動電圧及び特性が劣化することを防止しているが、２つのｎ型電極パッドが全て発光素子の片方に集中するように形成されているため、素子に印加される大電流を分散させて素子の電流拡散の効率を向上させ、駆動電圧を減少させるという点において限界がある。

したがって、前記大面積の窒化物系半導体発光素子の電流拡散効率を向上させ、駆動電圧を下げることのできる発光素子の関連技術の開発が求められつつある。

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、ｎ型電極パッドを３つ以上具備し、大面積に均一に分布されるように配置し、大電流を印加する際に電流を效率的に分散させることによって、電流拡散効率を向上させると共に、駆動電圧を減少させ得る窒化物系半導体発光素子を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、基板と、前記基板上
に形成されており、第１領域及び前記第１領域と互いに噛み合っているフィンガー構造の
第２領域に区分された上面を有するｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層の第
２領域上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反射電極と、前記反射電極上に形成され
ているｐ型電極と、前記ｎ型窒化物半導体層の第１領域上に形成されているｎ型電極と、
前記ｎ型電極上に形成され、前記ｎ型電極の複数の外縁にそれぞれ隣接するように配置さ
れた複数のｎ型電極パッドと、を備え、前記ｎ型電極は、前記ｎ型窒化物半導体層の最外
辺に沿って、前記第１領域上に形成された第１のｎ型枝電極と、前記第１領域上の、前記
第１のｎ型枝電極の内側に位置しフィンガー構造を有する部分に形成された第２のｎ型枝
電極と、を備え、ｎ型電極パッドの一部分およびその他の部分はｎ型窒化物半導体層の一対の外縁に別々に隣接するように配置され、ｎ型窒化物半導体層の前記一対の外縁は水平方向において互いに平行であり、ｎ型電極パッドの一部分およびその他の部分は水平方向において互いに異なる位置に配置されている。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光素子では、前記第２領域は、前記基板の中央を基準として対称な形状を有することが好ましい。これは、大面積からなる発光面の全体に均一な発光を起こすためである。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光素子では、前記ｎ型電極パッドは、少なくとも３つ形成されることが好ましく、さらに好ましくは、発光面の減少を最小化するために、最大５００μｍ以下の幅を有する。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光素子では、前記複数のｎ型電極パッドは、前記ｎ型電極の第１のｎ型枝電極を介して全て電気的に接続していることが好ましい。また、前記第１のｎ型枝電極が、前記第２のｎ型枝電極の幅より２５％以上大きい幅を有するように形成し、これは、それぞれのｎ型電極パッドから印加される電流の衝突により抵抗が高まるのを防止するためのものである。

また、前記本発明の窒化物系半導体発光素子では、前記第２領域の面積が、発光面を最大化するために、前記第１領域の面積より大きく形成されることが好ましい。

本発明の窒化物系半導体発光素子によれば、前記ｐ型電極をｎ型電極の枝電極を介して面分割し、電気的に全て接続するように形成することによって、大面積からなる発光面を低い駆動電圧で駆動させることができる。

また、本発明の窒化物系半導体発光素子によれば、互いに異なる面に複数のｎ型電極パッドを備えて大電流を印加する際、電流を発光面の全ての部分に均一に分散させることによって、発光が発光面の全体において均一に起きるようにして、輝度を向上させることができる。

したがって、本発明は、窒化物系半導体発光素子の駆動電圧を減少させ、輝度を向上させることで、素子の特性及び信頼性を向上させ得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表した。明細書の全体において類似の構成要素については同一の符号を付している。

以下に、本発明の一実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子について、図を参照して詳しく説明する。

第１の実施の形態
まず、図２及び図３を参照し、本発明の第１の実施の形態に係る水平構造を有する大面積の窒化物系半導体発光素子の構造について詳細に説明する。

同図は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子（ＬＥＤ）の電極及び活性領域を示す配置図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ´断面図である。

図２及び図３に示すように、光透過性の基板１００上にバッファ層１１０及びｎ型窒化物半導体層１２０が順次積層されている。このとき、前記ｎ型窒化物半導体層１２０は、第１領域及び前記第１領域と互いに噛み合っているフィンガー（ｆｉｎｇｅｒ）構造の第２領域に区分されている。

ここで、前記第２領域は発光面を定義しており、それにより、前記第２領域の面積は、第１領域の面積より大きく形成することにより、素子の輝度特性を向上させることが好ましい。すなわち、前記第２領域の面積は、前記ｎ型窒化物半導体層１２０の全体面積の５０％以上に該当する面積を有する。また、前記第２領域は、前記基板１００の中央部を基に、両方が互いに対称に形成されたことが好ましい。これは、大面積からなる発光面の全体に均一な発光がおきるようにするためである。

前記基板１００は、窒化物半導体の単結晶を成長させるのに適した基板であって、好ましく、サファイアを含む透明な材料を利用して形成され、サファイア以外に、基板１００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）で形成されることができる。

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。さらに具体的に、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層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、ｎ型導電形不純物としては、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎなどを使用し、好ましくは、主にＳｉを使用する。

そして、前記ｎ型窒化物半導体層１２０の第２領域上には、活性層１３０及びｐ型窒化物半導体層１４０が順次積層されて発光構造物をなす。

前記活性層１３０は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ層からなることができる。

前記ｐ型窒化物半導体層１４０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。さらに具体的に、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層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、ｐ型導電形不純物としては、例えば、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｂｅなどを使用し、好ましくは、主にＭｇを使用する。

また、前記ｎ型窒化物半導体層１２０の第１領域上には、ｎ型電極１５０が形成されている。前記ｎ型電極１５０は、大電流を印加する際に、電流を效率的に分散させるために、これから伸びている複数のｎ型枝電極１５０´，１５０´´を備える。さらに詳細に、前記ｎ型電極１５０は、局部的な電流の集中現象を最小化するために、前記ｎ型窒化物半導体層１２０の最外辺に沿って、第１領域上に均一に取り囲まれるように形成された第１のｎ型枝電極１５０´と、前記ｎ型窒化物半導体層１２０の内部に位置するフィンガー構造の第１領域上に形成された第２のｎ型枝電極１５０´´とを備える。

そして、前記ｎ型電極１５０上には、複数のｎ型電極パッド１５５が形成されており、このうち、いずれか１つ以上のｎ型電極パッド１５５は、発光面のいずれの地点でも均一な電流を供給するために、前記ｎ型電極１５０の互いに異なる辺に隣接するように位置し、互いに異なる辺に隣接するように形成されたｎ型電極パッド１５５は、交差配置される。

本実施の形態では、図２に示すように、前記ｎ型電極パッド１５５を４つ備え、それぞれ互いに異なる面に備えて、互いに交差配置している。このとき、前記ｎ型電極パッド１５５は、発光面の減少を最小化するために、最大５００μｍ以下の幅に形成されたことが好ましい。

また、本実施の形態では、前記複数のｎ型電極パッド１５５が前記ｎ型電極１５０の第１のｎ型枝電極１５０´を介して全て電気的に接続していることから、大面積を有する窒化物系半導体発光素子において、電流を拡散させるのにさらに効率的である。

一方、上記の通りに、前記第１のｎ型枝電極１５０´を介して前記複数のｎ型電極パッド１５５が全て接続すれば、電流拡散効率は向上させ得るが、それぞれのｎ型電極パッド１５５から印加される電流（図２の実線参照）が第１のｎ型枝電極１５０´で衝突して抵抗が増加するという問題がある。

したがって、本実施の形態では、上記のような問題を解決するために、前記第１のｎ型枝電極１５０´の幅を前記第２のｎ型枝電極１５０´´の幅より２５％大きく形成して、それぞれのｎ型電極パッド１５５から印加される電流が第１のｎ型枝電極１５０´で衝突するときに、抵抗が増加するのを防止することが好ましい。

また、前記ｐ型窒化物半導体層１４０上には、反射電極１７０が形成されている。

そして、前記反射電極１７０上には、ｐ型電極１６０が形成されている。本実施の形態に係る前記ｐ型電極１６０は、前記ｎ型電極１５０の第１及び第２のｎ型枝電極１５０´、１５０´´を介して４つに面に分割されており、全て電気的に接続していることから、電流の拡散特性をさらに向上させることができ、駆動電圧もまた減少させることができる。

また、前記ｐ型電極１６０上には、複数のｐ型電極パッド１６５が形成されている。

第２の実施の形態
図４及び図５を参照し、本発明の第２の実施の形態に係る水平構造を有する大面積の窒化物系半導体発光素子の構造について説明する。但し、第２の実施の形態の構成のうち、第１の実施の形態と同じ部分についての説明は省略し、第２の実施の形態で変わる構成についてのみ詳述する。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子（ＬＥＤ）の電極及び活性領域を示す配置図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ´断面図である。

図４及び図５に示すように、第２の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子は、第１の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子と殆どの構成が同じである。但し、前記ｐ型電極１６０が、前記ｎ型電極１５０の第１及び第２のｎ型枝電極１５０´，１５０´´を介して４つの面に分割されておらず、５つの面に分割されているという点のみが第１の実施の形態と異なる。

一方、第１の実施の形態に係るｎ型電極パッド１５５は、４つが形成されていることに対し、第２の実施の形態に係るｎ型電極パッド１５５は３つに、第１の実施の形態に比べて１つ減少したが、前記ｎ型電極パッド１５５が形成された位置がほぼ同じであるため、これは、発光面を最大化するためのもので、発光素子の特性に大きい影響を及ぼさない。

したがって、第２の実施の形態もまた、第１の実施の形態と同様に、複数のｎ型電極パッド１５５及び複数の面に分割されており、全て電気的に接続しているｐ型電極１６０を備えていることから、第１の実施の形態と同じ作用及び効果が得られる。

また、第２の実施の形態は、第１の実施の形態より前記ｐ型電極１６０が１つ多く分割されているため、図６に示すように、第１の実施の形態に比べて、より低い駆動電圧が得られるという利点がある。

ここで、図６は、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の発光面積の分割に応じる駆動電圧の変化を示すシミュレーション結果図である。

一方、本発明に係る第１及び第２の実施の形態において示したｎ型電極パッド及びｐ型電極パッドは、図面上に１５５及び１６５と示したが、これは実際に存在せずに、単に、サブマウントとバンプボールを介して電気的に接続する際、バンプボールが接触する領域を意味する。

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、及び変更をすることが可能であり、このような置換、変更なども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（ＬＥＤ）の電極及び活性領域を示す配置図である。 本発明の第１の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子（ＬＥＤ）の電極及び活性領域を示す配置図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ´断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子（ＬＥＤ）の電極及び活性領域を示す配置図である。 図４のＶ−Ｖ´断面図である。 本発明に係る窒化物系半導体発光素子の発光面積分割に応じた駆動電圧の変化を示すシミュレーション結果図である。

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 ｎ型電極
１５０´，１５０´´ 枝電極
１５５ ｎ型電極パッド
１６０ ｐ型電極
１６５ ｐ型電極パッド
１７０ 反射電極

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板上に形成されており、第１領域及び前記第１領域と互いに噛み合っているフィンガー構造の第２領域に区分された上面を有するｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層の第２領域上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反射電極と、
   前記反射電極上に形成されているｐ型電極と、
   前記ｎ型窒化物半導体層の第１領域上に形成されているｎ型電極と、
   前記ｎ型電極上に形成され、前記ｎ型電極の複数の外縁にそれぞれ隣接するように配置された複数のｎ型電極パッドと、
   を備え、
   前記ｎ型電極は、
   前記ｎ型窒化物半導体層の最外辺に沿って、前記第１領域上に形成された第１のｎ型枝電極と、
   前記第１領域上の、前記第１のｎ型枝電極の内側に位置しフィンガー構造を有する部分に形成された第２のｎ型枝電極と、
   を備え、
   ｎ型電極パッドの一部分およびその他の部分はｎ型窒化物半導体層の一対の外縁に別々に隣接するように配置され、ｎ型窒化物半導体層の前記一対の外縁は水平方向において互いに平行であり、
   ｎ型電極パッドの一部分およびその他の部分は水平方向において互いに異なる位置に配置されている、窒化物系半導体発光素子。
2. 前記第２領域は、前記基板の中央を基準として対称な形状を有す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。
3. 前記ｎ型電極パッドは、少なくとも３つ形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記ｎ型電極パッドは、５００μｍ以下の幅を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
5. 前記第１のｎ型枝電極は、前記第２のｎ型枝電極の幅より２５％以上大きい幅を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
6. 前記複数のｎ型電極パッドは、前記ｎ型電極の第１のｎ型電極枝を介して全て電気的に接続していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
7. 前記第２領域の面積は、前記第１領域の面積より大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。

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