JP4879820B2 - 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係り、より詳細には、静電気放電に対する耐性の高い窒化物系半導体発光素子に関する。

近来、ＧａＮなどのIII−Ｖ族窒化物系半導体は、優れた物理的・化学的特性から発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）などの発光素子の核心素材として脚光を浴びている。III−Ｖ族窒化物半導体材料を用いたＬＥＤあるいはＬＤは、青色または緑色波長帯の光を得るための発光素子に多用されており、このような発光素子は電光板、照明装置など各種製品の光源として応用されている。

しかしながら、このように窒化物系半導体を使用する発光素子は、ＧａＰまたはＧａＡｌＡｓのような他の化合物半導体に比べて静電気放電（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ：ＥＳＤ）に対する耐性に非常に弱いという欠点がある。例えば、窒化物系半導体発光素子は、順方向に約数百ボルト（１００Ｖ以上）の定電圧が印加されるときに破壊され、逆方向には約数十ボルト（３０Ｖ以上）の定電圧が印加されるときに破壊されてしまうことがある。これは、ＬＥＤまたはＬＤのような窒化物系半導体発光素子を取扱ったり使用する過程において、人やものからよく発生する静電気に起因する。

そこで、最近では、ＥＳＤによる窒化物半導体発光素子の損傷を抑えるための様々な研究が行われてきている。例えば、発光素子のＥＳＤ脆弱性を補完するために、逆方向に電流が流れうる定電圧ダイオードを提供しており、このような定電圧ダイオードには好ましくはツェナーダイオード（Ｚｅｎｅｒ Ｄｉｏｄｅ）がある。したがって、これをＬＥＤと並列に連結することによって静電気に效率的に対応することができる。

以下、図１及び図２を参照して、従来技術による窒化物系半導体発光素子について詳細に説明する。

図１は、従来技術による窒化物系半導体発光素子を示す正面図であり、図２は、図１に示す窒化物系半導体発光素子の断面図である。

図１及び図２に示すように、従来技術による窒化物系半導体発光素子は、１対の両極リード５１と陰極リード５２からなるリードフレーム５０の同一面上に、ＬＥＤ３０及び静電気放電衝撃保護素子４０を並べて実装し、このＬＥＤ３０と静電気放電衝撃保護素子４０とを金（Ａｕ）成分のワイヤー６０で互いに連結してなり、並列構造を有している。ここで、静電気放電衝撃保護素子４０にはツェナーダイオードが用いられる。

未説明の参照符号１０は、透明または不透明合成樹脂材からなるパッケージを表し、２０は、ＬＥＤを保護するためのモルディング材を表す。

上記のような静電気放電衝撃保護素子４０のツェナーダイオードは、定電圧ダイオードとも呼ばれるもので、半導体ｐ−ｎ接合ダイオードの一つである。これは、ｐ−ｎ接合の降伏（Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）領域で動作特性が現れるように製作されたダイオードで、主に定電圧用に使われるし、また、ツェナー回復現象を用いて一定電圧を得るダイオードで、ケイ素のｐ−ｎ接合において電流１０ｍＡで動作し、品種によって３〜１２Ｖの定電圧が得られる。

したがって、従来技術による窒化物系半導体発光素子は、このようなツェナーダイオードをＬＥＤにワイヤーなどを介して並列に連結し、このツェナーダイオードの存在によって、静電気によって逆方向の電流が印加される場合にもＬＥＤが損傷するのを防止することができる。

しかしながら、上記のようにツェナーダイオードをＬＥＤとリードフレーム上に並列に共に実装すると、ＬＥＤから発される光をツェナーダイオードが吸収したり散乱させたりし、発光素子の輝度を低下させるという問題につながっていた。

このような問題を解決するために、同一基板にＬＥＤとショットキー（ｓｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオードを集積する技術が提案された（特許文献１の図３Ｂ参照）。図３は、特許文献１の図３Ｂに開示された従来窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。

図３に示す従来窒化物系半導体発光素子は、同一基板にＬＥＤとショットキーダイオードを集積し、ＬＥＤとショットキーダイオードとを並列に連結させており、これにより、ＬＥＤから発される光の損失無しにＥＳＤからＬＥＤを保護することができ、発光素子の輝度を向上させることが可能である。

米国特許第６５９３５９７号明細書

しかしながら、このような技術は、製造工程が複雑という問題、すなわち、ＬＥＤ領域とショットキーダイオード領域とを分離しなければならない他、導電性バッファー層上にショットキーコンタクトをなす電極物質とオーミックコンタクトをなす電極物質とを別に蒸着してショットキー接合させなければならないという問題があった。

本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、ＥＳＤ耐性向上のための別個の素子を備えることなく高いＥＳＤ耐性を実現できる窒化物系半導体素子を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一実施例によれば、陽電極と、前記陽電極と接する第２のｎ型クラッド層を有し、前記陽電極と一部が接するようにその下面に形成された第１のｐ型クラッド層と、前記第１のｐ型クラッド層の下面に形成された活性層と、前記活性層と接しない第２のｐ型クラッド層を有し、前記活性層の下面全体にわたって形成された第１のｎ型クラッド層と、前記第１のｎ型クラッド層の一部及び第２のｐ型クラッド層と接するようにその下面に形成された陰電極と、を含んだ窒化物系半導体発光素子を提供する。

上記目的を達成する本発明の他の実施例によれば、陽電極と、前記陽電極と接する第２のｐ型クラッド層を有し、前記陽電極と一部が接するようにその下面に形成された第１のｎ型クラッド層と、前記第１のｎ型クラッド層の下面に形成された活性層と、前記活性層と接しない第２のｎ型クラッド層を有し、前記活性層の下面全体にわたって形成された第１のｐ型クラッド層と、前記第１のｐ型クラッド層の一部及び第２のｎ型クラッド層と接するようにその下面に形成された陰電極と、を含んだ窒化物系半導体発光素子を提供する。

上記目的を達成する本発明のさらに他の実施例によれば、基板と、前記基板と接しない第２のｐ型クラッド層を有し、前記基板の上面全体にわたって形成された第１のｎ型クラッド層と、前記第１のｎ型クラッド層上面の所定領域に形成された活性層と、前記活性層と接しない第２のｎ型クラッド層を有し、前記活性層の上面全体にわたって形成された第１のｐ型クラッド層と、前記第１のｐ型クラッド層の一部及び前記第２のｎ型クラッド層と接するようにその上面に形成された陽電極と、前記活性層の形成されていない第１のｎ型クラッド層の一部及び前記第２のｐ型クラッド層と接するようにその上面に形成された陰電極と、を含んだ窒化物系半導体発光素子を提供する。

上記目的を達成する本発明のさらに他の実施例によれば、基板と、前記基板と接しない第２のｎ型クラッド層を有し、前記基板の上面全体にわたって形成された第１のｐ型クラッド層と、前記第１のｐ型クラッド層上面の所定領域に形成された活性層と、前記活性層と接しない第２のｐ型クラッド層を有し、前記活性層の上面全体にわたって形成された第１のｎ型クラッド層と、前記第１のｎ型クラッド層の一部及び前記第２のｐ型クラッド層と接するようにその上面に形成された陽電極と、前記活性層の形成されていない第１のｐ型クラッド層の一部及び前記第２のｎ型クラッド層と接するようにその上面に形成された陰電極と、を含んだ窒化物系半導体発光素子を提供する。

本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、順方向バイアスが印加される場合にはｐ−ｎダイオードとして動作し、逆方向バイアスが印加される場合にはｐ−ｎ−ｐ−ｎ構造を持つショックレーダイオードとして動作するようにして両方向バイアスにおいて動作可能にしたため、ＥＳＤに対して高い耐性を有することが可能になる。

また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、ＥＳＤ耐性向上のための個別の素子を備える必要がないため、空間マージンを確保して小型化が図られ、かつ、発光面積を増加させて輝度特性の向上を図ることができる。

また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、電極数を減らして全般的な製造工程を単純化したため、収率の向上を図ることができる。

以下、添付の図面に基づき、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の好適な実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を持つ者が容易に実施できるように、詳細に説明する。

図面中、明確な表現のために、数個の層及び領域は厚さを拡大して示し、同一の構成要素については、可能な限り同一の参照符号及び番号を共通使用するものとする。

（第１の実施例）
まず、図４及び図５を参照して本発明の第１の実施例による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。

図４は、本発明の第１の実施例による窒化物系半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す断面図であり、図５は、図４に示す窒化物系半導体発光素子の回路図である。

まず、図４に示すように、本発明の第１の実施例による窒化物系半導体発光素子の最上部には、Ｃｒ／Ａｕなどからなる陽電極１１０が形成されている。

陽電極１１０の下面には第１のｐ型クラッド層１２０が形成されている。この第１のｐ型クラッド層１２０は、これとは逆のタイプの第２のｎ型クラッド層１３０を所定領域内に含んでおり、この第２のｎ型クラッド層１３０は、陽電極１１０と接するように形成されている。ここで、第１のｐ型クラッド層１２０と第２のｎ型クラッド層１３０は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）組成物を含めたIII−Ｖ族半導体、ＺｎＯ、II−ＶI族化合物半導体及びＳｉなどからなることが好ましい。

すなわち、本発明による陽電極１１０は、第１のｐ型クラッド層１２０及び第２のｎ型クラッド層１３０の両方に接するように形成されている。

第２のｎ型クラッド層１３０を含む第１のｐ型クラッド層１２０の下面には、活性層１４０が形成されている。ここで、活性層１４０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で構成された多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造とされる。

一方、活性層１４０は、一つの量子井戸層またはダブルヘテロ構造としても良い。

活性層１４０の下面には、第１のｎ型クラッド層１５０が形成されている。第１のｎ型クラッド層１５０も第１のｐ型クラッド層１２０と同様に、これと逆のタイプの第２のｐ型クラッド層１６０を所定領域内に含んでおり、第２のｐ型クラッド層１６０は活性層１４０と接しないように形成されている。ここで、第１のｎ型クラッド層１５０と第２のｐ型クラッド層１６０は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）組成物を含めたIII−Ｖ族半導体、ＺｎＯ、II−ＶI族化合物半導体及びＳｉなどからなることが好ましい。

第１のｎ型クラッド層１５０の一部及び第２のｐ型クラッド層１６０の下面には、これら両方に接するように陰電極１７０が形成されている。このような構造によると、同一基板にＬＥＤとショットキーダイオードを集積する先行特許文献１（米国特許第６５９３５９７号明細書）の図３Ｂに開示された従来窒化物系半導体発光素子に比べて、形成される電極の数が減少するため、製造工程を単純化することが可能になる。

上述のような本発明の第１の実施例による窒化物系半導体発光素子は、順方向にバイアス（ｂｉａｓ）される場合にはＬＥＤのようなｐ−ｎダイオードとして動作し、逆方向にバイアスされる場合にはｐ−ｎ−ｐ−ｎ構造を持つショックレーダイオードとして動作する。

すなわち、本発明による窒化物系半導体発光素子は、図５に示すように、ｐ−ｎダイオード３００とショックレーダイオード４００が並列に連結された構造となる。

以下、本発明の第１の実施例による窒化物系半導体発光素子の動作方法について、図６乃至図８を参照して具体的に説明する。

図６及び図７はそれぞれ、図４に示す窒化物系半導体発光素子の順方向及び逆方向の電流の流れを示す断面図であり、図８は、図４に示す窒化物系半導体発光素子のＩ−Ｖ曲線を示すグラフである。

まず、第１の実施例による窒化物系半導体発光素子が順方向にバイアスされる場合、図６及び図８を参照すると、窒化物系半導体発光素子は矢印方向（ｐ₁→ｎ₁）に電流が流れてｐ−ｎダイオードとして動作し、Ｉ−Ｖ曲線もまた、頂点ａ→ｅ（ｐ₁→ｎ₁）の曲線を有し、正常に動作することが確認できる。

一方、第１の実施例による窒化物系半導体発光素子が逆方向にバイアスされる場合、図７及び図８を参照すると、窒化物系半導体発光素子は矢印方向（ｐ₂→ｎ₁→ｐ₁→ｎ₂）に電流が流れてｐ−ｎ−ｐ−ｎ構造を持つショックレーダイオードとして動作し、このショックレーダイオードによって電流がバイパス（Ｂｙ−Ｐａｓｓ）されるため、静電気放電衝撃発生による損傷を防止することができる。

特に、本発明による窒化物系半導体発光素子は、逆方向にバイアスされるとき、図８に示すように、Ｉ−Ｖ曲線が頂点ａ→ｂ→ｃ→ｄ（ｐ₂→ｎ₁→ｐ₁→ｎ₂）の曲線を有するため、順方向にバイアスされる場合だけでなく、逆方向にバイアスされる場合にも正常に動作することが確認できる。

言い換えると、本発明の第１の実施例による窒化物系半導体発光素子は、交流でも、すなわち、順方向及び逆方向バイアスのいずれにおいても動作可能である。

（第２の実施例）
以下、図９を参照して本発明の第２の実施例による窒化物系半導体発光素子について説明する。ただし、下記の本実施例の説明において、第１の実施例と重複する部分についての説明は省略するものとする。

図９は、本発明の第２の実施例による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。

図９に示すように、第２の実施例による窒化物系半導体発光素子は、第１の実施例による窒化物系半導体発光素子と略同様に構成され、ただし、陽電極１１０の下面には、第２のｎ型クラッド層１３０を含む第１のｐ型クラッド層１２０ではなく、第２のｐ型クラッド層１６０を含む第１のｎ型クラッド層１５０が形成され、また、活性層１４０の下面には、第２のｐ型クラッド層１６０を含む第１のｎ型クラッド層１５０ではなく、第２のｎ型クラッド層１３０を含む第１のｐ型クラッド層１２０が形成されているという点が第１の実施例と異なる。

すなわち、第１の実施例はｐ−ｎ−ｐ−ｎ構造を持つショックレーダイオードとし、第２の実施例はｎ−ｐ−ｎ−ｐ構造を持つショックレーダイオードとしたわけである。

したがって、第２の実施例も第１の実施例と同様に、ｐ−ｎダイオードとショックレーダイオードが並列に連結されるため、ＥＳＤに対する高い耐性を持つと同時に、順方向及び逆方向バイアスのいずれにおいても動作可能である。

（第３の実施例）
以下、図１０を参照して本発明の第３実施例による窒化物系半導体発光素子について詳細に説明する。ただし、下記の本実施例の説明において、第１の実施例と重複する部分についての説明は省略するものとする。

図１０は、本発明の第３実施例による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。

図１０に示すように、本発明の第３実施例による窒化物系半導体発光素子の最下部には、基板２００が形成されている。この基板２００は、窒化物半導体単結晶を成長させるのに好適な基板で、サファイア基板及び炭化シリコン（ＳｉＣ）基板のような異種基板であっても、窒化物基板のような同種基板であっても良い。

この基板２００上には、基板２００と接しない第２のｐ型クラッド層２２０を含む第１のｎ型クラッド層２１０が形成されている。

第１のｎ型クラッド層２１０上面の所定領域には活性層２３０が形成されている。

この活性層２３０の上面全体にわたって、活性層２３０と接しない第２のｎ型クラッド層２５０を含む第１のｐ型クラッド層２４０が形成されており、該第１のｐ型クラッド層２４０上には、第１のｐ型クラッド層２４０の一部及び第２のｎ型クラッド層２５０の両方に接する陽電極２６０が位置する。

活性層２３０の形成されていない第１のｎ型クラッド層２１０上に、すなわち、活性層２３０と第１のｐ型クラッド層２４０の一部がメサエッチング（ｍｅｓａ ｅｔｃｈｉｎｇ）によって除去されることによって露出された第１のｎ型クラッド層２１０の一部及び第２のｐ型クラッド層２２０の両方と接するように陰電極２７０が形成されている。

以下、本発明の第３実施例による窒化物系半導体発光素子の動作方法について、図１１及び図１２を参照して具体的に説明する。

図１１及び図１２はそれぞれ、図１０に示す窒化物系半導体発光素子の順方向及び逆方向の電流の流れを示す断面図である。

まず、第３実施例による窒化物系半導体発光素子が順方向にバイアスされる場合、図１１を参照すると、窒化物系半導体発光素子は矢印方向（ｐ₁→ｎ₁）に電流が流れてｐ−ｎダイオードとして動作する。

一方、第３実施例による窒化物系半導体発光素子が逆方向にバイアスされる場合、図１２を参照すると、窒化物系半導体発光素子は矢印方向（ｐ₂→ｎ₁→ｐ₁→ｎ₂）に電流が流れるためｐ−ｎ−ｐ−ｎ構造を持つショックレーダイオードとして動作し、このショックレーダイオードによって電流がバイパスされるため、静電気放電衝撃発生による損傷を防止することができる。

すなわち、第１の実施例は、相異なる電極が垂直に形成された垂直型発光素子であり、第３実施例は、相異なる電極が水平に形成された水平型発光素子である。

したがって、このような第３実施例も、上述した第１の実施例と同じ作用及び効果を示すことができる。

（第４の実施例）
以下、図１３を参照して、本発明の第４実施例による窒化物系半導体発光素子について説明する。ただし、下記の本実施例の説明において、第３の実施例と重複する部分についての説明は省略するものとする。

図１３は、本発明の第４実施例による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。

図１３に示すように、第４実施例による窒化物系半導体発光素子は、第３実施例による窒化物系半導体発光素子と略同様に構成され、ただし、基板２００上には、第２のｐ型クラッド層２２０を含む第１のｎ型クラッド層２１０ではなく、第２のｎ型クラッド層２５０を含む第１のｐ型クラッド層２４０が形成され、活性層２３０上には、第２のｎ型クラッド層２５０を含む第１のｐ型クラッド層２４０ではなく、第２のｐ型クラッド層２２０を含む第１のｎ型クラッド層２１０が形成されているという点が第３実施例と異なる。

すなわち、第３実施例はｐ−ｎ−ｐ−ｎ構造を持つショックレーダイオードとし、第４実施例はｎ−ｐ−ｎ−ｐ構造を持つショックレーダイオードとしたわけである。

したがって、第４実施例も第３実施例と同様に、ｐ−ｎダイオードとショックレーダイオードが並列に連結されるため、ＥＳＤに対する高い耐性を持つと同時に、順方向及び逆方向バイアスのいずれにおいても動作可能である。

以上では具体的な実施例に上げて本発明を説明してきたが、これらの実施例から様々な変形及び均等な他の実施例が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者にとっては明らかである。したがって、本発明の権利範囲は、上記の具体例に限定されることはなく、添付の請求範囲によって定義される本発明の基本概念内での当業者による種々の変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属することは当然である。

従来技術による窒化物系半導体発光素子を示す正面図である。 図１に示す窒化物系半導体発光素子の断面図である。 先行特許文献１(米国特許第６５９３５９７号明細書)の図３Ｂに開示された従来窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明の第１実施例による窒化物系半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す断面図である。 図４に示す窒化物系半導体発光素子の回路図である。 図４に示す窒化物系半導体発光素子の順方向の電流の流れを示す断面図である。 図４に示す窒化物系半導体発光素子の逆方向の電流の流れを示す断面図である。 図４に示す窒化物系半導体発光素子のＩ−Ｖ曲線を示すグラフである。 本発明の第２実施例による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明の第３実施例による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。 図１０に示す窒化物系半導体発光素子の順方向の電流の流れを示す断面図である。 図１０に示す窒化物系半導体発光素子の逆方向の電流の流れを示す断面図である。 本発明の第４実施例による窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。

符号の説明

１１０、２６０ 陽電極
１２０、２４０ 第１のｐ型クラッド層
１３０、２５０ 第２のｎ型クラッド層
１４０、２３０ 活性層
１５０、２１０ 第１のｎ型クラッド層
１６０、２２０ 第２のｐ型クラッド層
１７０、２７０ 陰電極
２００ 基板
３００ ｐ−ｎダイオード
４００ ショックレーダイオード

Claims (4)

1. 上面の所定領域に形成された第２のｎ型クラッド層を有する第１のｐ型クラッド層と、
   前記第１のｐ型クラッド層の下面に形成された活性層と、
   前記活性層の下面に形成され、前記活性層と接しない下面の所定領域に形成された第２のｐ型クラッド層を有する第１のｎ型クラッド層と、
   前記第１のｐ型クラッド層及び前記第２のｎ型クラッド層と接するように前記第１のｐ型クラッド層の上面に形成された陽電極と、
   前記第１のｎ型クラッド層及び前記第２のｐ型クラッド層と接するように前記第１のｎ型クラッド層の下面に形成された陰電極と、
   を含んだ窒化物系半導体発光素子。
2. 上面の所定領域に形成された第２のｐ型クラッド層を有する第１のｎ型クラッド層と、
   前記第１のｎ型クラッド層の下面に形成された活性層と、
   前記活性層の下面に形成され、前記活性層と接しない下面の所定領域に形成された第２のｎ型クラッド層を有する第１のｐ型クラッド層と、
   前記第１のｎ型クラッド層及び前記第２のｐ型クラッド層と接するように前記第１のｎ型クラッド層の上面に形成された陽電極と、
   前記第１のｐ型クラッド層及び前記第２のｎ型クラッド層と接するように前記第１のｐ型クラッド層の下面に形成された陰電極と、
   を含んだ窒化物系半導体発光素子。
3. 基板と、
   前記基板と接しない第２のｐ型クラッド層を有し、前記基板の上面全体にわたって形成された第１のｎ型クラッド層と、
   前記第１のｎ型クラッド層上面の所定領域に形成された活性層と、
   前記活性層と接しない第２のｎ型クラッド層を有し、前記活性層の上面全体にわたって形成された第１のｐ型クラッド層と、
   前記第１のｐ型クラッド層の一部及び前記第２のｎ型クラッド層と接するようにその上面に形成された陽電極と、
   前記活性層の形成されていない第１のｎ型クラッド層の一部及び前記第２のｐ型クラッド層と接するようにその上面に形成された陰電極と、
   を含んだ窒化物系半導体発光素子。
4. 基板と、
   前記基板と接しない第２のｎ型クラッド層を有し、前記基板の上面全体にわたって形成された第１のｐ型クラッド層と、
   前記第１のｐ型クラッド層上面の所定領域に形成された活性層と、
   前記活性層と接しない第２のｐ型クラッド層を有し、前記活性層の上面全体にわたって形成された第１のｎ型クラッド層と、
   前記第１のｎ型クラッド層の一部及び前記第２のｐ型クラッド層と接するようにその上面に形成された陽電極と、
   前記活性層の形成されていない第１のｐ型クラッド層の一部及び前記第２のｎ型クラッド層と接するようにその上面に形成された陰電極と、
   を含んだ窒化物系半導体発光素子。

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