JP4875361B2 - ３族窒化物発光素子 - Google Patents

Description

本発明は発光素子に関するもので、特に向上された輝度と電気的特性を有する３族窒化物発光素子に関するものである。

Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ(_１-ｘ-ｙ)Ｎ系の物質を用いた３族窒化物発光ダイオード(ＬＥＤ)が開発された後、輝度を上げるための様々な研究が進んできた。発光素子の輝度を上げるための方法には、発光層自体の発光効率を上げる方法と、内部で生成された光を内部的損失なしに外部に抽出させる方法がある。

現在、素子内部で生成された光の外部抽出効率(外部光子効率)を改善するためのいくつかの技術が提案されている。例えば、比較的高い透過率を有するＮｉ/Ａｕ層をｐ型クラッド層上に１００Å以下の厚さで薄く蒸着させ、これを３族窒化物発光素子のｐ側電極に用いることが可能である。この場合、内部で発生した光がＮｉ／Ａｕ層を透過して外部へ放出できるようになる(ｐ側電極の方が光の出射方向になる)。しかし、薄い厚みでＮｉ／Ａｕ層を蒸着させても、相当部分の光がＮｉ／Ａｕ層内で吸収されたり内部に再び反射される問題点がある。また、基板材料に用いられるサファイア(主成分がＡｌ_２Ｏ_３)は熱伝導率が低いので、素子動作の際に発生した熱が外部へ放出されにくく素子の特性が劣化されやすい。

このような問題点を解決し外部光子効率をさらに改善するために、フリップチップ(ｆｌｉｐ ｃｈｉｐ)構造の３族窒化物発光素子が開発された。この場合、ｐ側電極に用いられる金属層に、光透過率の高いＮｉ/Ａｕ層に代えて、反射率の高いＮｉ／Ａｌ層またはＮｉ／Ａｇ層あるいはＮｉ／Ａｌ(Ａｇ)／Ｐｔ層を用いる(ＡｌまたはＡｇはＡｕに比べ高い反射度を有する。)。また、サブマウントの電極上に連結されたフリップチップ構造の発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図３は、従来のフリップチップ発光素子の一例を示す断面図である。図３を参照すれば、発光素子１０は、透明なサファイア基板１１上に順次形成されたアンドープ(ｕｎｄｏｐｅｄ)ＧａＮ層１３、ｎ-ドープＡｌＧａＮ層１５、活性層１７及びｐ-ドープＡｌＧａＮ層１９を備える。ｐ-ドープＡｌＧａＮ層１９上には光反射率の高いＮｉ／Ａｇ(またはＡｌ)／Ｐｔ層(Ｎｉが下、Ｐｔが上にある)からなったｐ側電極２１が形成されており、ｎ-ドープＡｌＧａＮ層１５の一部領域上にはｎ側電極２３が形成されている。フリップチップ発光素子１０は基板１１側を上にした状態で、サブマウント２１上に搭載される。図４は、フリップチップ発光素子１０をサブマウント上に搭載した状態を示す断面図である。

図４に示すように、フリップチップ発光素子１０がサブマウント２１ 上に搭載される際、発光素子１０のｐ側電極２１及びｎ側電極２３は、バンプ３１、３３を通してサブマウント２１の電極部(図示せず)に連結される。このようなフリップチップ構造では、透明なサファイア基板１１の方が光の出射方向となる。ｐ側電極２１に反射率の高いＡｇ(またはＡｌ)層を用いることにより、前記Ａｇ(Ａｌ)層を通して光を上の方に(出射方向に)反射させる。それによって、光の外部抽出効率を改善するようになる。

ところが、前記Ｎｉ／Ａｇ(Ａｌ)／Ｐｔ層からなったｐ側電極２１においてＮｉ層の厚みが厚いとｐ側電極２１の反射率が減少され、Ｎｉ層が薄くなりすぎるとｐ側電極２１がオープンしやくなる。ｐ側電極２１におけるオープン発生は素子不良を発生させる要因となる。そのため、適切な厚さのＮｉ層をコンタクト膜に使用し、Ａｇ(Ａｌ)層を反射漠に利用するようになる。しかし、どのような適切な厚さのＮｉ層を用いても、輝度の減少を防止できないものであった。
米国特許第６，４４５，０１１号

本発明は前記した問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は外部光子効率及び輝度がより改善され、ｐ側電極の電気的機械的特性が改善された３族窒化物発光素子を提供することである。

上述した技術的課題を成し遂げるために、本発明による３族窒化物発光素子は、ｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に順次に形成された活性層及びｐ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層上に順次形成されたＣｕＩｎＯ_２層、透明伝導性酸化物(Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ; 以下、ＴＣＯともいう)層及び反射金属層を具備するｐ側電極とを備える。前記反射金属層には、例えば、Ａｇ層またはＡｌ層を用いることが可能である。

前記ＣｕＩｎＯ_２層はｐ型クラッド層と電極物質間にオーミック接触を具現し、前記ＴＣＯ層は電流拡散を促進し、前記反射金属層は光を反射させ光の外部抽出確率をさらに上げる。本発明の好ましき実施形態によれば、３族窒化物発光素子は、フリップチップ発光素子である。

本発明において、透明電極層は、ＺｎＯ、ＡＺＯ、Ｚｎ_１-ＸＡｌ_ＸＯ、Ｚｎ_１-ＸＭｇ_ＸＯ、ＳｎＯ_２、ＲｕＯ_２、ＰｄＯ、Ｂｉ_２Ｒｕ_２Ｏ_７、Ｂｉ_２Ｉｒ_２Ｏ_７、ＩＴＯ(Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ)から構成された群より少なくとも一つ選択されたものからなる。好ましくは、透明電極層はＩＴＯ層である。

また、本発明において、発光素子は、ｎ型クラッド層の下にサファイア基板をさらに備える。他の実施形態として、発光素子はサファイア基板などの基板が除去されていることもあり得る。

さらに、本発明では、前記ｐ側電極は、前記反射金属層上に形成されたＰｔ層またはＰｔ／Ｎｉ層を備えていてもよい。このようなＰｔ層またはＰｔ／Ｎｉは反射金属層の構成原子のマイグレーション(ｍｉｇｒａｔｉｏｎ) 現象を防止する役割を果たす。

本発明において、発光素子はｎ型クラッド層の下に形成されたアンドープＧａＮ層を備えていてもよい。この場合、前記ｎ型クラッド層はｎ-ドープＧａＮ層とその上に形成されたｎ-ドープＡｌＧａＮ層を備える構成でもよい。

ここで、３族窒化物とは、Ａｌ_ｘＧａ_ｙIｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ(０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１)に表現される２成分系(ｂｉａｎａrｙ)、３成分系(ｔｅｒｎａｒｙ)あるいは４成分系(ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ)化合物半導体を意味する。また、３族窒化物発光素子とは、発光構造物を構成するｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が３族窒化物からなっていることを意味する。

本発明によれば、ＣｕＩｎＯ_２／ＴＣＯ／Ａｇ(Ａｌ)のようなｐ側構造を使用することにより、光の外部抽出効率さらに上げることが可能となり、輝度が向上される。また、ＣｕＩｎＯ_２層によって接触抵抗を低めることが可能となり、ＴＣＯ層によって電流集中を防止することが可能となる。それによって、発光素子の動作電圧特性も改善される。さらに、ＣｕＩｎＯ_２層とＴＣＯ層とＡｇ(Ａｌ)層間の高い密着力によってｐ側電極部の不良率が少なくなる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態に係る３族窒化物発光素子について説明する。但し、図面は模式的なものであり、各材料層の厚みやその比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

図１は、本発明の一実施形態に係る３族窒化物発光素子の断面図である。図１に示すように、発光素子１００は、サファイア基板１０１上に順次積層されたアンドープＧａＮ層１０３、ｎ-ドープＧａＮ層１０４、ｎ-ドープＡｌＧａＮ層１０５、活性層１０７及びｐ型クラッド層１０９を備える。ｎ-ドープＧａＮ層１０４とｎ-ドープＡｌＧａＮ層１０５はｎ型クラッド層１０６を構成する。

図１に示すように、ｐ-ドープＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{(１-ｘ-ｙ)}Ｎ層１０９上には ＣｕＩｎＯ_２層１１０とＩＴＯ層１１１とＡｇ層１２１が順次形成されている。ＣｕＩｎＯ_２層１１０／ＩＴＯ層１１１／Ａｇ層１２１は、発光素子１００のｐ側電極を成す。メッサ蝕刻によって露出されたｎ-ドープＧａＮ層１０４上にはｎ側電極１２３が形成されている。

ＣｕＩｎＯ_２層１１０／ＩＴＯ層１１１／Ａｇ層１２１のｐ側電極構造において、Ａｇ層１２１はｐ側電極の反射度を上げる役割を果たしＡｇ層１２１の方に入射される光をサファイア基板１５１の方に再反射させる。また、ＩＴＯ層１１１層はｐ型クラッド層１０９における電流拡散を促進させる。それによって、電流集中を防止して発光素子１００の動作電圧を改善することが可能となる。さらに、ＣｕＩｎＯ_２層１１０は、ｐ型クラッド層１０９と電極物質の間の十分なオーミック接触を可能にする。なお、ＩＴＯ層１１１だけでは、十分なオーミック接触を具現しにくい。

本実施形態では、ｐ側のオーミック接触部分にＣｕＩｎＯ_２層１１０とＩＴＯ層１１１を配置させることにより、十分なオーミック接触を具現して接着抵抗を低めるだけでなくＩＴＯ層１１１による電流拡散效果を得ることができる。また、最上層にＡｇ層１２１を配置させることにより、Ａｇ層１２１に至った光はサファイア基板１０１方により良く反射される。さらに、ＣｕＩｎＯ_２層１１０とＩＴＯ層１１１とＡｇ層１２１の間には良好な密着力を表しているので、従来と違って、電極物質のオープニング現象がほぼ生じない。

発光素子１００はフリップチップ発光素子に使用されるのに適した構造を有している。すなわち、反射金属層１２１とｎ側電極１２３をサブマウント基板上の電極構造に結合することにより、発光素子１００をサブマウントに搭載することが可能である。

上記したようにサブマウントに搭載された発光素子１００が図２に示されている。図２に示すように、フリップチップ構造の発光素子１００がシリコーンサブマウント１２１上にサファイア基板１０１を上にした状態で搭載されている。ｐ側電極のＡｇ層１２１とｎ側電極１２３はソルダバンプ１３１、１３３を通してシリコンサブマウント１２１の電極部(図示せず)に連結される。光の出射方向は上方向、すなわちサファイア基板１０１の方である。反射度の高いＡｇ層１２１をｐ型クラッド層１０９の方に配置させることにより、Ａｇ層１２１に至った光は出射方向に良く反射される。それによって、発光素子１００の外部光子効率が増加して、発光素子１００の輝度がさらに向上される。

図１に示した発光素子１００においては、Ａｇ層１２１がＩＴＯ層１１１の全体上面に形成されている。しかし、Ａｇ層１２１をＩＴＯ層１１１上面中の一部領域のみに形成することにより、フリップチップ以外の一般的な構造の発光素子(図示せず)を具現することも可能である。この場合にも、ＣｕＩｎＯ_２層とＩＴＯ層から接触抵抗の低減及び電流拡散の效果を得ることができる。加えて、ワイヤボンディングされるＡｇ層を通して光を基板の方へ再反射させることにより、光の抽出効率を上げることができる。

本実施形態においては、ＣｕＩｎＯ_２層１１０上にＩＴＯ層１１１が形成されているが、ＩＴＯ層１１１の代わりに一般的に異なる透明伝導性酸化物(ＴＣＯ)層を形成することも可能である。例えば、ＩＴＯ層１１１の代りに、ＺｎＯ、ＡＺＯ、Ｚｎ_１-ＸＡｌ_ＸＯ、Ｚｎ_１-ＸＭｇ_ＸＯ、ＳｎＯ_２、ＲｕＯ_２、ＰｄＯ、Ｂｉ_２Ｒｕ_２Ｏ_７及びＢｉ_２Ｉｒ_２Ｏ_７から構成された群より少なくとも一つ選択され形成された層が使用され得る。ＩＴＯ層１１０以外の他のＴＣＯ層を使用する場合にも、類似な電流拡散の効果を得ることができる。

また、Ａｇ層１１１の代りにＡｌ層を使用することも可能である。ＡｌもＡｇ層１１１に相応する光の反射效果を得ることができるので、Ａｌ層を一種の反射金属層に利用することも可能である。さらに、前記Ａｇ層１１１またはＡｌ層上にはＰｔ層または図示しないＰｔ／Ｎｉ層(Ｐｔ層が下、Ｎｉ層が上に位置する)がさらに形成され得る。このようなＰｔ層またはＰｔ／Ｎｉ層は前記反射金属層の構成原子のマイグレーション(ｍｉｇｒａｔｉｏｎ)現象を防止する役割を果たすようになる。

さらに、発光素子１００からサファイア基板１０１が分離、除去されていることもあり得る。すなわち、電子ビームを利用したリフト-オフ工程などによって発光素子１００からサファイア基板１０１を分離して薄膜のＧａＮ系ＬＥＤ素子を具現することにより、内部における光の損失をさらに減らすことが可能となる。それによって、発光素子の輝度はより一層向上される。

上述した実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

本発明の一実施形態に係る３族窒化物発光素子の断面図である。 本発明の一実施形態に係る３族窒化物発光素子をシリコンサブマウントに搭載した状態を示す断面図である。 従来のフリップチップ構造の３族窒化物発光素子の断面図である。 従来のフリップチップ構造の３族窒化物発光素子をシリコンサブマウントに搭載した状態を表す断面図である。

符号の説明

１０１ サファイア基板
１０３ アンドープＧａＮ層
１０４ ｎ-ドープ ＧａＮ層
１０５ ｎ-ドープＡｌＧａＮ層
１０６ ｎ型クラッド層
１０７ 活性層
１０９ ｐ型クラッド層
１１０ ＣｕＩｎＯ２層
１１１ ＩＴＯ層
１２１ Ａｇ層

Claims (11)

1. ｎ型クラッド層と、
   前記ｎ型クラッド層上に、順次、形成された活性層及びｐ型クラッド層と、
   前記ｐ型クラッド層上に、順次、形成されたＣｕＩｎＯ_２層、透明伝導性酸化物層及び反射金属層を具備するｐ側電極とを含み、
   前記ＣｕＩｎＯ _２ 層はｐ型３族窒化物半導体からなる前記ｐ型クラッド層に接触することを特徴とする３族窒化物発光素子。
2. 前記反射金属層はＡｇ層であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物発光素子。
3. 前記反射金属層はＡｌ層であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物発光素子。
4. 前記発光素子はフリップチップ構造の発光素子であることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物発光素子。
5. 前記透明伝導性酸化物層は、ＺｎＯ、ＡＺＯ、Ｚｎ_１-ＸＡｌ_ＸＯ、Ｚｎ_１-ＸＭｇ_ＸＯ、ＳｎＯ_２、ＲｕＯ_２、ＰｄＯ、Ｂｉ_２Ｒｕ_２Ｏ_７、Ｂｉ_２Ｉｒ_２Ｏ_７、ＩＴＯから構成された群より少なくとも一つ選択されたものからなることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物発光素子。
6. 前記透明伝導性酸化物層は、ＩＴＯからなることを特徴とする請求項５に記載の３族窒化物発光素子。
7. 前記発光素子は、前記ｎ型クラッド層の下に形成されたサファイア基板を備えることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物発光素子。
8. 前記ｐ側電極は、前記反射金属層上に形成されたＰｔ層を備えることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物発光素子。
9. 前記ｐ側電極は、前記反射金属層上に形成されたＰｔ／Ｎｉ層を備えることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物発光素子。
10. 前記ｎ型クラッド層の下に、アンドープＧａＮ層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物発光素子。
11. 前記ｎ型クラッド層は、ｎ-ドープＧａＮ層とその上に形成されたｎ-ドープＡｌＧａＮ層とを含むことを特徴とする請求項１０に記載の３族窒化物発光素子。

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