JP4765632B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
このような構成の半導体発光素子では、光の取り出し効率を向上させるため、p型半導体層上の全面電極として、透明な金属薄膜や、ITO、ZnO、In2O3、SnO2等の導電性酸化物膜が用いられている(例えば、特許文献1)。
また、本発明の別の半導体発光素子は、半導体層上に、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種の元素を構成元素として含む導電性酸化物膜が電気的に接続されて構成される半導体発光素子であって、前記導電性酸化物膜が、前記半導体層側の表面に凹凸を有し、凸部において半導体層と接し、凹部において空隙を有し、前記半導体層側と反対の表面が平坦な膜であることを特徴とする。
また、微量元素は、スズ、亜鉛、ガリウム、アルミニウムから選択される少なくとも1種の元素とすることができる。
さらに、酸化物膜は、酸素以外の構成元素の20%以下で微量元素を含むか、半導体層との界面近傍における微量元素が、界面に対向する表面近傍の微量元素よりも濃度が高いか、微量元素の濃度が半導体層側表面から反対の表面にかけて単調減少してなることが好ましい。
特に、導電性酸化物膜がITO膜であることが好ましい。
また、導電性酸化物膜は、400〜600nmにおいて光の透過率が80%以上で、比抵抗が1×10-4Ωcm以下、膜厚が100nm以上であることが好ましい。
また、半導体発光素子が、第1導電型半導体層、発光層、第2導電型半導体層がこの順に積層され、前記第1導電型及び第2導電型半導体層にそれぞれ電極が接続されて構成されてなり、導電性酸化物膜が少なくとも第2導電型半導体層上に形成されてなり、特に、第1導電型半導体層がn型半導体層であり、第2導電型半導体層がp型半導体層であることが好ましい。
さらに、導電性酸化物膜の上に、さらに金属膜が形成されてなることが好ましい。
また、金属膜が、W、Rh、Ag、Pt、Pd、Al、Tiの単層膜又は積層膜又は合金により形成されてなることが好ましい。
さらに、半導体層が窒化物半導体層であることが好ましい。
また、導電性酸化物膜は、構成元素とは異なる微量元素をさらに含む酸化物膜であるか、ITO膜であることが好ましい。
さらに、微量元素は、スズ、亜鉛、ガリウム、アルミニウムから選択される少なくとも1種の元素であることが好ましい。
また、空隙が、半導体層側から導電性酸化物膜の全膜厚に対して10〜50%の範囲に存在することが好ましい。
さらに、半導体層が、窒化物半導体、特に、p型の窒化物半導体であることが好ましい。
さらに、導電性酸化物膜の400〜600nmにおける光の透過率が80%以上である場合には、半導体発光素子から発生した所望の光を効率よく取り出すことができ、有利である。
また、導電性酸化物膜の比抵抗が1×10-4Ωcm以下である場合には、導電性酸化物膜に投入された電流を効率よく半導体層に拡散させることができ、より電力効率が向上するとともに、これに伴って、光の取り出し効率も良好となる。
複数の空隙が、半導体層側から導電性酸化物膜の全膜厚に対して10〜50%の範囲に存在する場合には、表面側における導電性酸化物膜を通る電流を妨げることなく、より抵抗を低減することができる。
さらに、p型コンタクト層が、膜厚250Å以下の膜厚で、Mg濃度1.5×1020/cm3以上に設定されてなることにより、正電極に対してオーミック性に優れ、接触抵抗を低く抑えることができるコンタクト層を備えた半導体発光素子を得ることができる。また、コンタクト層の成膜時間、熱処理時間等を短縮させることができ、製造工程が簡略化し、プロセスの再現性を向上させ、安価で高品質の半導体発光素子を得ることができる。
また、本発明の半導体発光素子の製造方法では、導電性酸化物膜内において、確実に空隙を導入することができ、簡便な製造方法によって、上記の効果を達成することが可能となる。
この導電性酸化物膜は、この膜を構成する酸素以外の元素(元素C)のほかに、この構成元素(元素C)とは異なる元素(元素D)が、微量で含有されていてもよい。ここで微量元素Dとは、例えば、スズ、亜鉛、ガリウム、アルミニウムから選択することができ、1種でもよいし、2種以上でもよい。微量元素Dは、導電性酸化物膜の酸素以外の構成元素(元素C)に対して20%以下であることが好ましい。また、この微量元素Dは、半導体層側とその表面側とで濃度が異なっていることが好ましく、半導体層側のほうが表面側に比較して濃度が高いことがより好ましい。さらに、導電性酸化物膜において、微量元素Dの濃度が半導体層側から表面にかけて単調減少していることが好ましい。これにより、半導体層とのオーミック性をより向上させることができるとともに、結晶性にも優れた導電性酸化物膜となる。また、構成元素は、基本的に酸化物を構成する元素、特に、酸素以外の元素を意味し、微量元素を含む場合、酸素以外の元素のおよそ80%以上100%より少ない元素のことをいう。
さらに、導電性酸化物膜を空隙を有した(密度が低い)状態で成膜し、その上に、その膜よりも空隙が少ない又は空隙がない状態(密度が高い)で導電性酸化物膜を成膜/積層する方法でもよい。
また、導電性酸化物膜、例えば、ITO膜を途中まで形成した後、熱処理し、引き続き成膜し、熱処理するなどの多段階での熱処理を利用してもよい。熱処理の方法としては、例えばランプアニール処理、加熱炉によるアニール処理などがある。またITO膜を成膜後の処理としては電子線照射やレーザアブレーションを利用してもよい。さらに、これらの方法を任意に組み合わせてもよい。
また、光変換部材は、(Re1-xRx)3(Al1-yGay)5O12(0<x<1、0≦y≦1、但し、Reは、Y,Gd,La,Lu,Tb,Smからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、RはCe又はCeとPrである)で表される蛍光体であってもよい。これにより上記と同様に、高出力の発光素子において、温度特性、耐久性に優れた素子とでき、特に、活性層がInGaNである場合に、温度特性において黒体放射に沿った変化となり、白色系発光において有利となる。
実施例1
この実施の形態の半導体発光素子を図1に示す。
この半導体発光素子10は、サファイア基板1の上に、Al0.1Ga0.9Nよりなるバッファ層(図示せず)、ノンドープGaN層(図示せず)が積層され、その上に、n型半導体層2として、SiドープGaNよりなるn型コンタクト層、GaN層(40Å)とInGaN層(20Å)とを交互に10回積層させた超格子のn型クラッド層が積層され、さらにその上に、GaN層(250Å)とInGaN層(30Å)とが交互に3〜6回積層された多重量子井戸構造の活性層3、p型半導体層4として、MgドープAl0.1Ga0.9N層(40Å)とMgドープInGaN層(20Å)とが交互に10回積層された超格子のp型クラッド層、MgドープGaNよりなるp型コンタクト層がこの順に積層されて構成される。
<半導体層の形成>
2インチφのサファイア基板1の上に、MOVPE反応装置を用い、Al0.1Ga0.9Nよりなるバッファ層を100Å、ノンドープGaN層を1.5μm、n型半導体層2として、SiドープGaNよりなるn型コンタクト層を2.165μm、GaN層(40Å)とInGaN層(20Å)とを交互に10回積層させた超格子のn型クラッド層5を640Å、GaN層(250Å)とInGaN層(30Å)とを交互に3〜6回積層させた多重量子井戸構造の活性層3、p型半導体層4として、MgドープAl0.1Ga0.9N層(40Å)とMgドープInGaN層(20Å)とを交互に10回積層させた超格子のp型クラッド層を0.2μm、MgドープGaNよりなるp型コンタクト層を0.5μmの膜厚でこの順に成長させ、ウェハを作製した。
得られたウェハを反応容器内で、窒素雰囲気中、600℃にてアニールし、p型クラッド層及びp型コンタクト層をさらに低抵抗化した。
アニール後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタクト層の表面に所定の形状のマスクを形成し、エッチング装置でマスクの上からエッチングし、n型コンタクト層の一部を露出させた。
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した。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、ウェハのp型コンタクト層8のほぼ全面に、ITOよりなる導電性酸化物膜5を5000Åの膜厚で形成した。
得られた導電性酸化物膜5は良好な透光性を有し、サファイア基板1まで透けて観測できた。
導電性酸化物膜5上に、レジストにより所定のパターンを有するマスクを形成し、その上にW層、Pt層およびAu層をこの順に積層し、リフトオフ法により、ボンディング用のパッド電極6を総膜厚1μmで形成した。
次いで、アニール装置にて400〜600℃程度で熱処理を施した。
得られたウェハを所定の箇所で分割することにより、半導体発光素子10を得た。
図2から、ITO膜は、半導体層側の界面近傍においてのみ、20〜200nm程度の複数の空隙が形成されており、表面側では、密に良好な結晶状態であることが確認された。また、空隙が形成された領域は、ITO膜の全膜厚の50%程度であった。さらに、ITO膜自体は、透明であり、結晶性が良好であることが確認された。
また、ITO膜におけるSn濃度をオージェ電子分光分析装置(日本電子株式会社:JEOL Ltd.のJAMP−7500F)を用いて測定したところ、半導体層との界面近傍のほうが、表面側に対して高濃度で分布しているとともに、半導体層側から表面側かけて、徐々に濃度分布が低くなる傾向を示していることが観察された。なお、Sn濃度は、ITO膜の表面側からAr+を、スパッタレート30nm/分、加速エネルギーが3keVで照射し、デプスプロファイルを測定した後、そのピーク強度を、インジウム、スズ等の各元素が有する相対感度係数(装置固有の値)で除算することにより、定量的に求められた値である。
この半導体発光素子をSTEM(日本電子製:JEM―2010F)により同様に観察した。その断面の状態を図3に示す。
図3から、ITO膜は、膜厚方向の全体にわたって小さな穴が存在し、膜厚方向全体において結晶性が悪く、透過率が低かった。
なお、比較例Aで得られた図3のITO膜について、実施例1と同じ条件で熱処理を施したところ、図2に示すITO膜とほぼ同様に、半導体層側の界面近傍においてのみ、20〜200nm程度の複数の空隙が形成され、表面側では、密に良好な結晶状態である膜が形成されたことが確認された。
また、比較例Bで得られたITO膜については、熱処理によっては、その構造に変化は見られなかった。
しかも、ITO膜は、表面側において、密で結晶性が良好となり、光の散乱を防止しながら、透光性を向上させることができ、この電極側を発光観測面とすることができる。
得られた半導体発光素子の特性について評価したところ、本願発明の発光素子では、20mAのときのVfが3.5Vになることが確認された。また、比較例Bとして、ITO膜の半導体層側の界面近傍において、空隙がなく、ITO膜の全体において密に良好な結晶状態のITO膜が形成された発光素子では20mAのときのVfが3.6Vであった。
また、比較例BにおけるITO膜では、半導体層とのオーミック性が不良であり、Vfも安定せず、比較的大きな値であった。
この実施例の半導体発光素子は、実施例1における製造工程において、ITO膜を成膜する際に、成膜初期は、スパッタガスとして、アルゴンガスを用い、その後、スパッタガスをアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスに変更する以外は、実質的に実施例1と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得る。
なお、成膜時のスパッタガスの圧力を0.01〜0.5Pa程度とした場合に、成膜途中以降の酸素ガスの分圧は、1×10-4〜1×10-2Pa程度とする。また、アルゴンガスで20分間程度成膜し、その後、アルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスを用いた成膜時間は5分間程度とする。
得られた半導体発光素子においても、実施例1と同様に、オーミック性が良好で、透光性がよく、光の取り出し効率を向上させることができ、この電極側を発光観測面とすることができる。
この実施例の半導体発光素子は、実施例1における製造工程においてITO膜を成膜した後、あるいは、実施例1における製造工程において、室温にてRFパワーを一定に保ちながら5000ÅのITO膜を形成した後、還元ガス雰囲気下(例えば、水素ガス雰囲気下)にて、例えば、500〜600℃でランプアニールによって処理することにより、実施例1と実質的に同様の構成の半導体発光素子を得る。
得られた半導体発光素子においても、実施例1と同様に、オーミック性が良好で、透光性がよく、光の取り出し効率を向上させることができ、この電極側を発光観測面とすることができる。
この実施例の半導体発光素子は、実施例1における製造工程において、ITO膜を成膜する際に、スパッタ法に代えて、真空蒸着法を利用する以外は、実質的に実施例1と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得る。
n型コンタクト層の一部を露出させたウェハを、真空蒸着装置に入れ、ウェハ温度を100℃に維持しながら、SnO2が10%のITOを電子銃で加熱、蒸発させて、ITO膜を成膜する。成膜中、ウェハ温度を300℃まで、10秒間で急激に上昇させて、膜厚が5000ÅのITO膜を形成する。
この実施例の半導体発光素子は、実施例4における製造工程において、真空蒸着法によりITO膜を形成する際に、ウェハ温度を300℃に維持しながら、イオン銃を利用して、成膜初期にのみ、ウェハ表面(p型半導体層)に酸素イオンを1012個/cm2程度で照射する以外は、実質的に実施例4と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得る。
この実施例の半導体発光素子は、実施例4における製造工程において、真空蒸着法によりITO膜を形成する際に、ウェハ温度を室温に維持しながら、成膜初期の成膜レートを50Å/秒、さらに、5Å/秒に減少させ、その後、ITO膜を加熱して透明化させる以外は、実質的に実施例5と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得る。
この実施例の半導体発光素子は、実施例5における製造工程において、真空蒸着法によりITO膜を形成する際に、ウェハ温度を300℃に維持しながら、成膜初期の成膜レートを50Å/秒とし、その後、5Å/秒に減少させる以外は、実質的に実施例5と同様の方法により、同様の構成の半導体発光素子を得る。
図4は、本実施例の表面実装(SMD)型の発光装置100を発光観測面側(即ち、パッケージ106の主面方向)から見た模式的な正面図を示す。図4に示すような表面実装(SMD)型の発光装置100は、LEDチップ107と、このLEDチップ107を収納する開口部を備え、LEDチップ107が載置されるリード電極105の主面の一部が開口部の底面から露出されてなるパッケージ106とを備える発光装置である。さらに、開口部は突出部111を有し、開口部の内壁面は、パッケージ106の主面の長軸方向に延伸する内壁面101aと、短軸方向に延伸し互いに対向する一対の内壁面102と、長軸方向に延伸する内壁面101aに対向する内壁面101bと、内壁面101aに対向し、突出部111に設けられる内壁面101cと、この内壁面101bから内壁面101cにかけて所定の角度を付けて連続して設けられる内壁面104とを有する。
また、パッケージ106の外壁面から突出しているリード電極103の実装面側の面は、上記突出部111を形成する内壁面101cに対向する外壁面とほぼ同一平面上となるように、パッケージの主面方向に折り曲げられている。さらに、リード電極103の端部は、実装面と反対方向へパッケージの外壁面に沿って折り曲げられている。このようにリード電極103を配置することによって、従来と比較して小型化が可能な発光装置とし、外部の基板に対して安定に実装することができる。
n型コンタクト層は、1つの辺の中央部において、p型半導体層52及び活性層の一部をエッチングにより除去してn型コンタクト層51が露出した切り欠き部51aを設けることにより露出され、その切り欠き部51aに、n電極53として、スパッタリング法を用いてW/Pt/Auを含む負極パッド電極を形成する。
p型コンタクト層上全面にはITOによる透光性電極を形成した後に、この透光性電極の一部上にパッド電極を形成する。このITO膜は実施例1と同様の方法により形成しており、半導体層側の界面近傍においてのみ、複数の空隙が形成され、表面側では密に良好な結晶状態となっている。
次に、ダイボンドされたLEDチップの各電極と、パッケージ開口部底面から露出された各リード電極とをそれぞれAuワイヤにて電気的導通を取る。
次いで、フェニルメチル系シリコーン樹脂組成物100wt%(屈折率1.53)に対して、拡散剤として平均粒径1.0μm、吸油量70ml/100gである軽質炭酸カルシウム(屈折率1.62)を3wt%含有させ、自転公転ミキサーにて5分間攪拌を行う。次に攪拌処理により生じた熱を冷ますため、30分間放置し樹脂を定温に戻し安定化させる。
本実施例の発光装置は、パッケージの開口部に内壁面104を有することにより、発光素子からの出光を無駄なく開口部内から発光観測面方向に出光させることができ、従来と比較して薄型化しつつ導光板の光入射面に対して広範囲に光を入射させることができる。
上述した実施例において、蛍光物質を含有する封止部材とする以外は、同様にして発光装置を形成する。蛍光物質は、Y、Gd、Ceの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させ、これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。さらにフラックスとしてフッ化バリウムを混合した後坩堝に詰め、空気中1400℃の温度で3時間焼成することにより焼成品が得られる。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して中心粒径が8μmである(Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250蛍光物質を形成する。蛍光体を含有させることにより、発光素子からの光と、該発光素子の光の一部が蛍光体により波長変換された光との混色光が得られる発光装置とすることができる。
本発明により得られた白色発光を示し、得られた発光装置の特性について評価したところ、光度が1012mcdである。
なお、比較例として、ITO膜の半導体層側の界面近傍において、空隙がなく、ITO膜の全体において密に良好な結晶状態のITO膜が形成された発光素子を実装したほかは同様にして形成した発光装置では、970mcdである。
上記実施例9により得られる発光装置と、導光板とを組み合わせて面状発光装置を形成する。発光装置と導光板とは、直接接着させる。
この実施例の面状光源は、発光装置と容易に位置決めして得ることができ、従来と比較して薄型化された面状光源とすることができる。また、導光板の光入射面に光を散乱させる切り欠き部分を設けるなどして、発光位置によって発光ムラの生じない面状光源とすることができる。
この実施例の半導体発光素子を、電極形成面側からみた平面図である図9及び図9におけるX−X線の断面図である図10に示す。なお、図10は、p側電極20のパッド部20b(以下、「p側パッド部」ともいう)近傍の断面図であり、p側電極20が設けられた第1の領域の半導体積層構造と、第2の領域に設けられた凸部29との位置関係を示している。
この半導体発光素子は、p側電極20及びn側電極19が同一面側に設けられており、観測面側を電極形成面側とした電極形成面側から光を取り出す構成である。
半導体発光素子を構成する半導体積層構造は、上述した半導体積層構造の(2)と同様であり、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側電極19が形成され、MgドープGaN層18にはp側電極20が設けられている。
p側電極20の電流拡散部20a(以下、「p側電流拡散部」ともいう)はp型コンタクト層のほぼ全面に形成されており、p型コンタクト層に接して実施例1と同様のITO膜によって形成されている。パッド部20bはn側電極と同様にW、Pt、Auが順に積層されてなる。
このように、p側パッド部20bとn側電極19とを同一の構成とすることにより、p側パッド部20bとn側電極19の形成工程を1つにすることができる。また、n側パッド電極をp側電流拡散部と同様にITOを用いてもよい。
この半導体発光素子は、複数の凹凸を形成する各凸部29が第1の領域の周囲を囲んでいる。すなわち、この半導体発光素子は、駆動時に発光する第1の領域の周囲を凸部で囲むことにより、半導体発光素子の電極形成面側表面領域を有効に利用して光取り出し効率及び光指向性の制御を行うことができる。
一般に、半導体発光素子はサファイア等の基板上に各種の半導体層を積層した後に、所定の領域を薄膜化し、その薄膜領域にて個々の半導体発光素子に分割する。この実施例では、凸部を形成するための特別な領域を設けてもよいが、例えば、ウエハーを分割する薄膜領域、又はn電極周辺に凸部を複数形成することにより、工程の増加を抑えることができる。すなわち、本来、単に、電極形成面側に設けられるn型コンタクト層平面の所望の領域に、本実施の形態の凸部を形成することが好ましい。
すなわち、1.n型コンタクト層内を導波する光がn型コンタクト層から凸部内部に光が取り込まれ、凸部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.活性層端面から側面外部に出射された光が複数の凸部により反射散乱され観測面側へ光が取り出される。
3.n型コンタクト層内を導波する光が凸部の根本(n型コンタクト層と凸部の接続部分)にて乱反射され、観測面側へ光が取り出される。
また、凸部を複数設けることにより、観測面側の全域に渡って均一な光取り出しが可能となる。
また、凸部をp型コンタクト層、好ましくはp型電極よりも高くなるように構成することにより、より効果的に光を取り出すことができる。
また、凸部断面の形状が台形である場合、台形の上辺(p側)において、さらに凹部を備えることもできる。これにより、n型コンタクト層内を導波してきた光が凸部内部に侵入した際に、凸部の頂部に形成された凹部により、観測面側に光が出射されやすくなるので好ましい。
この凸部は、n側電極を形成するために、n型コンタクト層を露出する際に、同時に形成することが好ましい。すなわち、本実施の形態の半導体発光素子は、同一面側に、p側電極及びn側電極を備える構造であるため、基板上にp型コンタクト層までを積層した後に、半導体積層構造のp側から少なくともn側電極に対応する領域をn型コンタクト層が露出するように除去することが必要となる。例えば、p型コンタクト層を積層した後に、レジスト膜を塗布して所望のパターンに露光し、残存するレジスト膜をマスクとして用い、後にp側電極を設ける部位(第1の領域)、および凸部を形成すべき部位(第2の領域の一部分)以外をn型コンタクト層が露出するまでエッチング等により除去する。これにより、n側電極を形成する露出面を形成すると共に凸部を同時に形成することができるので、工程を簡略化することが可能となる。なお、ここではマスクとしてレジスト膜を用いたが、SiO2等の絶縁膜をマスクとしてもよい。
また、第1の領域の内部に周囲が完全に第1の領域で囲まれた開口部を設け、各開口部内に発光し得ない複数の凸部を設けることもできるが、この場合、開口部が電流経路を阻害する場合があり素子抵抗が上がるばかりでなく、均一な発光が得られない傾向があるので好ましくない。したがって、本来発光すべき領域(第1の領域)では、発光に必要な少なくともn型コンタクト層、活性層、p型コンタクト層が一様に積層され、一様に発光することが好ましく、本来発光しない領域(第2の領域)のみに複数の凸部を設けることが好ましい。いずれにしても、本来発光し得ない領域に複数の凸部を設け、本来発光し得ない領域を有効に利用することにより、上記したような効果を得ることができる。
さらに、本件発明における凸部の数、密度等は特に限定されないが、第2の領域において少なくとも100個以上、好ましくは200個以上、さらに好ましくは300個以上、より好ましくは500個以上とすることができる。これにより、上記効果をより向上させることができる。なお、電極形成面側から見て、第2の領域における凸部が占める面積の割合(詳細には、第2の領域における、凸部と第2の領域の界面の面積の占める割合)は、20パーセント以上、好ましくは30パーセント以上、さらに好ましくは40パーセント以上とすることができる。なお上限は特に限定されないが80パーセント以下とすることが好ましい。また、1つの凸部と第2の領域の界面の面積は、3〜300μm2、好ましくは6〜80μm2、さらに好ましくは12〜50μm2とすることができる。
なお、この半導体発光素子は、実施例8と同様にして、図8に示す表面実装(SMD)型の発光装置とすることができる。
この実施例の半導体発光素子は、図11に示すように、第1の領域における半導体積層構造の形状と、それに伴うp側電流拡散部30aの形状と、凸部29の形成領域が異なる他は、実施例11の半導体発光素子と同様の構成である。
すなわち、この半導体発光素子は、電極配置面側からみて、n側電極19とp側電極30との間に位置する第1の領域がくびれ部分を有しており、さらにそのくびれ部分に複数の凸部が形成されている。すなわち、電極配置面側からみて、n側電極とp側電極のパッド部との間に位置する第1の領域に設けられた半導体積層構造が、n側電極とp側電極のパッド部を結ぶ直線に垂直をなす方向において、第1の領域の両側がくびれ部分を有すると共に、くびれ部分に複数の凸部を備える。これにより、発光および観測面側への光取り出しを効果的に行うことができる。
さらに、例えば、n電極及び第1の領域近傍の比較的発光の強い領域に複数の凸部を高密度に設け、それと異なる領域の比較的発光の弱い領域に複数の凸部を低密度に設けてもよい。発光領域の強い領域、弱い領域は半導体発光素子の構造によって異なるが、いずれにしても、発光領域の強度を考慮して、複数の凸部の密度を変化させることにより、より効果的な光取り出し及び指向性制御が可能となる。
なお、この半導体発光素子は、実施例8と同様にして、図8に示す表面実装(SMD)型の発光装置とすることができる。
この実施例の半導体発光素子は、電極側の平面図である図12及び図12のX−X‘線の断面図である図13に示したように、サファイア基板40上にそれぞれ窒化物半導体からなるn型層41、活性層42及びp型層43がこの順に積層されて構成されている。
n型層41は、その表面の一部に露出部を有しており、この露出部に、互いに分離された複数のnライン電極31が形成されている。
各nライン電極31はライン状オーミック電極31aとそのライン状オーミック電極31aの一端に設けられたnパッド電極31bとによって構成される。各ライン状オーミック電極の一端に設けられたnパッド電極31bは、第1の辺に直角の1つの辺(第3の辺)に沿って形成される。
p側電極は、p型層のほぼ全面に形成された透光性を有するpオーミック電極32と、そのpオーミック電極32の上に形成された複数の電流拡散電極33とによって構成される。なお、pオーミック電極32は、透光性電極層として、実施例1と同様のITOにより形成されている。この電流拡散電極33はライン状オーミック電極31aと平行に形成された複数の拡散ライン電極33aとその拡散ライン電極33aの一端に設けられたpパッド電極33bとによって構成される。拡散ライン電極33aと隣接するnライン電極31との間隔は、互いに等しくなるように形成され、複数の拡散ライン電極33aのうちの1つは第2の辺に沿って形成され、他の拡散ライン電極33aはnライン電極31の間に形成される。すなわち、対向する2つの辺のうちの一方の辺(第1の辺)に沿ってnライン電極を形成した場合、その一方の辺に対向する他方の辺に沿って電流拡散電極33を形成するように構成している。また、各拡散ライン電極33aの一端に設けられたpパッド電極33bはいずれも、nパッド電極31bが形成されている第3の辺に対向する第4の辺に沿って形成される。
第1に、各nライン電極31の一端にそれぞれnパッド電極31bを形成し、各拡散ライン電極33aの一端にそれぞれpパッド電極33bを形成するようにしている。これにより、発光領域全体に電流がほぼ均一に注入されるようにできる。
ここで、上述の距離が実質的に等しいとは、完全に一致していることを意味しているのではなく、距離の違いにより電流の不均一が生じない程度のものは実質的に等しい範囲に含まれるものとする。
つまり、ライン状オーミック電極31a及び拡散ライン電極33aは、途中に、角部及び曲線部が形成されないように直線的に形成して、角部及び曲線部における電界の集中や電界の不均一を防止し、それに伴う電流の不均一を防止している。
さらに、nライン電極31の他端(nパッド電極31bが形成された一端の反対側に位置する端)と、pパッド電極33b(pパッド電極3bが形成された拡散ライン電極33aの一端部)との距離を、拡散ライン電極33aとnライン電極31の間隔にほぼ等しく設定している。
基板40側を光り取り出し面とする場合には、pオーミック電極32の上に反射膜を設けたり、pオーミック電極32の上に反射性電極層を設けた電極構造とすることができる。光取り出し面を基板40側、p型層43とする場合のいずれでも、pオーミック電極32をITOからなる単層構造又はこれを含む多層構造とすることが好ましい。また、ライン状オーミック電極31aを、pオーミック電極32を構成するITOからなる単層構造又はこれを含む多層構造としてもよい。
この実施例の半導体発光素子60は、電極形成面側の平面図である図15に示したように、p型半導体層の間にn型半導体層がエッチングによりストライプ状に露出されている。露出されたn型半導体層は、素子の内側において細くなる形状を有しており、この露出されたn型半導体層上に、n電極62が形成されている。なお、p側の拡散電極61は、ストライプ形状であり、発光素子中央部分において、露出されたn型半導体層の幅より広い形状を有している。なお、p側の拡散電極61は、実施例1と同様のITO膜により形成されている。p側の拡散電極61のストライプ列数は、n型半導体層上のn電極62の列数より多い。
なお、p側の拡散電極上に形成される金属膜およびn電極は、バンプに含有される材料の少なくとも一種を含有することが好ましい。例えば、バンプがAuを材料とするときは、p側の金属膜およびn電極の材料、特にバンプと直接に接する接合面の材料は、AuまたはAuを含む合金とすることが好ましい。また、Ag、Al、Rh、Rh/Irの単層又は多層膜でもよい。
p側の拡散電極とn電極とを同じ材料により形成する場合には、同時に形成することが可能となり、製造工程が簡略化されて好ましい。
この半導体発光素子においては、図16に示すように、n電極71は、発光素子の1つの角部を含む外周に沿って配置される第1延伸部71aと、第1延伸部71aの端部及び角部から発光素子の内側に向かって伸びる第2延伸部71bとから構成される。なお、n型半導体層は、n電極71の形状と略同じ形状にその表面を露出しており、その表面にn電極71が形成されている。
また、n型半導体層が露出した領域以外の半導体発光素子の表面にp型半導体層が配置しており、その表面のほぼ全面に実施例1と同様のITO膜からなる透明電極82が形成されている。また、透明電極82上であって、n電極71が形成された角部に対向する角部を含む外周に沿って配置される金属膜からなる周縁電極81aと、この周縁電極81aの途中から発光素子の内側に向かって伸びる延伸部82bとからなるパッド電極が形成されており、このパッド電極と透明電極82とでp電極81を構成する。
このような電極の形状により、発光素子に投入される電流を均一に発光素子全面に拡散させることができため、発光素子の発光面からの発光を均一とすることができる。
この実施例では、図17に示したように、実施例13に示した拡散ライン電極とnライン電極を有する半導体発光素子であるLEDチップ200を、実装基体201に、フリップチップ実装することにより発光装置を形成する。
この発光装置は、リード203が固定された実装基体201を含むパッケージ212の凹部202に、接着層204を介してサブマウント基板205に載置されたLEDチップ200が実装されて構成されている。凹部202の側面は反射部206として機能し、実装基体201は放熱部として機能し、外部放熱器(図示せず)に接続されている。また、実装基体201には、凹部202の外部にテラス部207が形成されており、ここに、保護素子(図示せず)が実装されている。実装基体201の凹部202の上方には、光取り出し部208として開口部が形成されており、この開口部に、透光性の封止部材209が埋設されて封止されている。
この実施例では、図18に示したように、実施例13に示した拡散ライン電極とnライン電極を有する半導体発光素子であるLEDチップ200を、実装基体201に、フェイスアップ実装することにより発光装置を形成する。
この発光装置は、リード203と絶縁分離された実装基体201を含むパッケージ212の凹部202に、LEDチップ200が接着層204を介して固定されている。この凹部202は、その側面が反射部206として機能し、開口方向に向かって広くなる形状(テーパー形状)であることが好ましい。このような形状により、LEDチップ200から出た光が凹部202の側面に反射してパッケージ正面に向かうため、光取り出し効率を向上させることができる。実装基体201は、ガラスエポキシ樹脂、セラミック等によって形成することができる。また、接着層204は、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、イミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。実装基体201は放熱部として機能し、外部放熱器(図示せず)に接続されている。このように、実装基体201とリード203とを分離するとともに、放熱を確保することができる構成により、熱設計に優れた発光装置を得ることができる。
さらに、LEDチップ200の電極は、それぞれワイヤ210によってリード203と電気的に接続され、パッケージ外部におよんでいる。
なお、実装基体201の凹部202内表面211は、エンボス加工やプラズマ処理により、封止部材209との接着面積を増やすなどにより密着性を向上させることができる。
また、封止部材209は、発光装置の使用用途に応じてLEDチップ200、ワイヤ210、任意に、蛍光体が含有されたコーティング層などを外部から保護するため、あるいは光取り出し効率を向上させるために設けられる。封止部材209は、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂などの耐候性に優れた透明樹脂や硝子などが好適に用いられる。モールド部材に拡散剤を含有させることによってLEDチップ200からの指向性を緩和させ、視野角を増やすこともできる。なお、金属パッケージを使用して、窒素ガスなどと共にLEDチップ200を気密封止する場合は、モールド部材は必須の構成部材ではない。
なお、上述した実装形態、パッケージ材料などは、本発明のいずれの実施例に適用してもよく、さらに、金属製の基体に凹部を設けて、発光素子を実装し、基体と絶縁分離されたリードに電気的に接続させて気密封止したもの、COBのように金属基板上の凹部に直接LEDチップを実装してもよい。また、1つの実装基体に又は1つの凹部内に、複数の素子を集積実装したもの、発光素子を実装した基体を複数設けて1つの装置基体で成形したもの等であってもよい。
この実施例では、図19に示したように、実施例13に示した拡散ライン電極とnライン電極を有する半導体発光素子であるLEDチップ200を、ステム120の凹部120a内に、フェイスアップ実装することにより発光装置を形成する。
ステム120は、CuにAgメッキを施したヒートシンク124、第1のリード121及び第2のリード122を、ポリフタルアミドである熱可塑性樹脂を用いて一体成型されている。ヒートシンク124は、上面に凹部24aを有し、開口部上方が広口の略円錐台の形状を有している。これにより、LEDチップ200からの光を効率よく反射させることができ、光取り出し効率を向上させることができる。
LEDチップ200は、ヒートシンク124の凹部124aの略中央に、エポキシ樹脂からなる接着層によりダイボンドされている。また、LEDチップ200の上面に存在する正負電極が、第1のリード121及び第2のリード122にそれぞれAuワイヤ125によりボンディングされている。
このような発光装置は、外的障害物から発光素子を保護しつつ、光取り出し効率の向上を図ることができる。
この実施例では、図20に示したように、実施例13に示した拡散ライン電極とnライン電極を有する半導体発光素子であるLEDチップ200を、サブマウント部材160を介してステム120の凹部120a内に、フリップチップ実装することにより発光装置を形成する。
ステム120は、第1のリード121及び第2のリード122とが樹脂によって一体成型されており、第1のリード121及び第2のリード122の端部の一部が、ステムの凹部120a内で露出している。露出している第2のリード122の上に、サブマウント部材160が載置されている。このサブマウント部材160上であって、凹部120aの略中央に、LEDチップ200が載置されている。サブマウント部材160に設けられた電極161は、ワイヤを介して第1のリード121と電気的に接続され、また、電極62は、ワイヤを介して第2のリード22と電気的に接続されている。
なお、この発光装置においては、サブマウント部材を介さず、LEDチップ200を直接リードにマウントし、超音波振動装置を用いて鉛フリーの半田バンプを介してボンディングして電気的に接続してもよい。
この実施例では、図21に示したように、実施例16に示した半導体発光素子であるLEDチップ200を、セラミックパッケージ内に、フェイスアップ実装することにより発光装置を形成する。
セラミックパッケージは、基板となるセラミック素地302と、内壁面の形状が開口方向に向かって広くなる貫通孔を有するセラミック素地304とを少なくとも有する。基板となるセラミック素地302には、LEDチップ200に電力を供給するための導体配線305がパッケージの凹部底面からセラミック素地302、204の間を通って発光装置の外壁面に延在している。
つまり、図22に示すように、セラミックパッケージは、LEDチップを載置するための凹部を有する。凹部の底面には、正負一対の導体配線305a、305bが施され、セラミック素地316が露出されて正負一対の導体配線を絶縁分離している。LEDチップは、セラミックが露出された凹部底面の中央に載置され、導体配線305aの一部は、LEDチップを包囲するようなパターンとされている。ここで、サファイア基板のような透光性基板の上に半導体が積層されてなるLEDチップの透光性基板側を凹部底面に対向させて固定する構成とする際には、透光性基板を、Al、Agおよびそれらの合金のような光反射率の高い金属で被覆することが好ましい。このように構成することにより、セラミックを透過していた光を発光観測面方向に反射させ、発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。保護素子のような別の半導体素子を、導体配線上に載置することもできる。また、セラミックパッケージの側面端部には、正負一対の導体配線305a、305bと接続する正負一対の導体配線317a、317bが露出されている。
このようにLEDチップをセラミックパッケージに実装することで、電力効率が向上するのみならず、プラスチックを材料とするパッケージと比較して放熱性及び耐熱性に優れ、LEDチップを搭載して長時間、高輝度に発光可能な発光装置とすることができる。
導体配線305および光反射部303は、焼成されたタングステン(平均粒径約1μm)含有の樹脂ペースト(粘度約30000ps)がAgにより被覆されて構成されている。
このような発光装置は、以下のように形成することができる。
まず、アルミナを主成分としたグリーンシートを所定のサイズで切り出し、セラミック素地202の部分を形成する。さらに、タングステン含有の樹脂ペーストを導体配線305のパターンに従ってスクリーン印刷する。
また、LEDチップを収めることが可能な大きさの貫通孔を有するグリーンシートおよび一方の開口方向に内径が広くなる貫通孔を有するグリーンシートを形成する。さらに、形成されたグリーンシートは、タングステン含有の樹脂ペーストが光反射部303のパターンに従ってスクリーン印刷されセラミック素地304となる。
このように形成された複数枚のグリーンシートを、貫通孔の中心を揃えた状態で重ね合わせ、真空中で加熱プレスしパッケージの凹部を仮形成する。
パンチングマシーンを使用して通常の方法で0.3mφのスルーホールを形成する。ここで、スルーホールは少なくとも正負一対形成され、正負それぞれ二つのスルーホールが対応するように形成される。次に、スクリーン印刷によりタングステン含有樹脂ペーストでスルーホールの孔を埋め、セラミックパッケージの外壁面に露出された導体配線306となる部分の印刷を行う。
のシリコーン樹脂にて発光面方向への這い上がりが抑制され、半田同士が接触したり、半田がセラミックパッケージ凹部の開口部を被覆することがない。従って、信頼性が高く外部の実装基板に接続することができる発光装置である。
この発光装置は、図23に示すように、封止部材307が、光反射部303を被覆することなく、LEDチップ200を少なくとも被覆するように形成する以外の構成が、実質的に実施例20の発光装置と同様である。
この場合も、図23の拡大断面図にYとして示されるように、セラミックパッケージの凹部側壁上面をシリコーン樹脂が被覆して形成され、さらにこのシリコーン樹脂の一部は、凹部側壁上面を形成するセラミック素地304内に含浸し、含浸部分Xを形成している。
蛍光物質は、Y、Gd、Ceの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈させ、これを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウムとを混合して混合原料を得る。さらにフラックスとしてフッ化バリウムを混合した後坩堝に詰め、空気中1400℃の温度で3時間焼成することにより焼成品が得られる。焼成品を水中でボールミルして、洗浄、分離、乾燥、最後に篩を通して中心粒径が8μmである(Y0.995Gd0.005)2.750Al5O12:Ce0.250蛍光物質を形成する。
p型半導体層の上に、900℃で、水素雰囲気下、TMGを4cc、アンモニア3.0リットル、キャリアガスとして水素ガスを2.5リットル導入し、p型クラッド層の上にMgを1.5×1020/cm3ドープしたp型GaNからなるp型コンタクト層を250Åの膜厚で成長させ、コンタクト層の表面を、例えば研磨して、表面の面粗さをRMS値3nm程度に調整する以外は、実施例1と、実質的に同様の発光装置を作製した。
これにより、実施例1の発光装置と同様の効果のほか、より一層Vfが低下し、面内分布が安定していることが確認された。
Claims (10)
- 半導体層上に、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種の元素を構成元素として含む導電性酸化物膜が電気的に接続されて構成される半導体発光素子であって、
前記導電性酸化物膜が、前記半導体層との界面近傍において複数の空隙を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 導電性酸化物膜が、表面側よりも半導体層側において密度が低い請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記導電性酸化物膜は、表面側において空隙を有しない請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 前記導電性酸化物膜は、表面側が平坦な膜である請求項1〜3のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 半導体層上に、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種の元素を構成元素として含む導電性酸化物膜が電気的に接続されて構成される半導体発光素子であって
前記導電性酸化物膜が、前記半導体層側の表面に凹凸を有し、凸部において半導体層と接し、凹部において空隙を有し、前記半導体層側と反対の表面が平坦な膜であることを特徴とする半導体発光素子。 - 導電性酸化物膜は、構成元素とは異なる微量元素をさらに含む酸化物膜であり、前記微量元素は、スズ、亜鉛、ガリウム、アルミニウムから選択される少なくとも1種の元素である請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 酸化物膜は、半導体層との界面近傍における微量元素が、界面に対向する表面近傍の微量元素よりも濃度が高い請求項6に記載の半導体発光素子。
- 導電性酸化物膜がITO膜である請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 複数の空隙が、半導体層側から導電性酸化物膜の全膜厚に対して10〜50%の範囲に存在する請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 半導体発光素子が、第1導電型半導体層、発光層、第2導電型半導体層がこの順に積層され、前記第1導電型及び第2導電型半導体層にそれぞれ電極が接続されて構成されてなり、
第1導電型半導体層がn型の窒化物半導体層であり、第2導電型半導体層がp型の窒化物半導体層であり、さらに導電性酸化物膜に接するp型の窒化物半導体層が、表面がRMS値3nm以下の面粗さのp型コンタクト層である請求項1〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
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