JP4890813B2 - 発光ダイオード及び発光ダイオードランプ - Google Patents

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Description

本発明は、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体上に形成された第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体上に形成された第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオード及びその発光ダイオードを用いた発光ダイオードランプに関する。
長期に亘り安定して動作するｐｎ接合型発光ダイオード（ＬＥＤ）を得るためには、例えば、静電気等に因り、不用意にｐｎ接合型発光部に逆方向の過電流が通流するのを防止できる技術手段を講ずることが重要である。従来では、ＬＥＤの電気的耐性の向上を目的として、ツェナー（Ｚｅｎｅｒ）ダイオード等の電子部品をＬＥＤに接続して、ＬＥＤを電気的に保護する方法が多く採られてきた。特に、層厚の薄い化合物半導体層から構成されるｐｎ接合型発光部を備えた窒化ガリウム（ＧａＮ）系ＬＥＤや、燐化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）系ＬＥＤでは、ツェナーダイオードをＬＥＤ駆動用電気回路にわざわざ付加し、組み込んで耐電圧性の向上を果たす手段が開示されている（下記の特許文献１参照）。
特開２００５−２００３８号公報
また、下記の特許文献２及び３には、コンデンサや抵抗を複雑に組み込んだＬＥＤ駆動用電源回路を配備することにより、ＬＥＤの耐電圧性を高める技術が開示されている。
特開２００５− ５７２２８号公報 特開２０００−１８８４２５号公報
また、ｐｎ接合型ＬＥＤと、ＬＥＤとは別個にｐｎ接合型保護ダイオードを設けて、それらを電気的に並列に結線することにより、ＬＥＤ逆方向電圧に対する耐電圧性を向上させる技術も開示されている（下記の特許文献４参照）。さらに、ｐｎ接合型保護ダイオードをＬＥＤとは別個の単体素子として設ける上記の技術に加えて、同一の基板上に隣接して別個にｐｎ接合型保護ダイオードを設け、ｐｎ接合型発光部へ逆方向の過電圧が印加されるのを回避しようとする技術手段も開示されている（下記の特許文献５参照）。
特開昭５２− ６１９８２号公報 特開平１０−２００１５９号公報
しかし、上記従来技術のうち、特許文献１〜３では、ツェナーダイオードやコンデンサ等の耐電圧性を上げるための電子部品を電源回路に付帯して配置するスペースを必要とし、ＬＥＤが徒に大型化してしまう問題がある。また、より良く耐電圧性を向上させるために、電源回路に組み込む電子部品の部品数を増加させると、回路組立て技術が複雑になり、ＬＥＤの製造コストの上昇を避けられない問題がある。
また、特許文献４，５の如く保護ダイオードを単品部品として別個に使用し、しかも、電気的に並列に結線させて、ｐｎ接合型発光部へ不用意に通流する逆方向電流に対する耐電圧性を向上させようとする場合、保護ダイオードを配置するための空間が要求され、帰結されるＬＥＤのチップサイズは自ずと大型化してしまう。また、不用意な逆方向への過電流からｐｎ接合型発光部を電気的に保護する機能を発揮させるために、ＬＥＤとは別個に設ける保護ダイオードには、ＬＥＤの発光部へ動作電流を流通させるために必要な電極に加え、保護ダイオード自身を動作させるための電極が必要とされる。例えば、上記の特許文献４に記載される単品のｐｎ接合型保護ダイオードを隣接して配置したＬＥＤにあっては、合計３個（特許文献４の図４参照）、または多い場合には合計４個（特許文献４の図１参照）の入力及び出力電極を形成する必要があり、ＬＥＤを作製するための工程を煩雑としていることは否めない。
一方で、不用意に逆方向に印加される過電圧から、例えばＬＥＤの発光部を保護する作用を有するｐｎ接合構造をＬＥＤの内部に内包させて耐電圧性に優れるＬＥＤを得る手段も考えられる。この技術手段によれば、ＬＥＤ等の素子の外部に例えば、保護ダイオードなどの耐電圧性を向上させるための電子部品を敢えて付加しなくとも簡便に高い耐電圧性のＬＥＤを提供できる。しかしながら、珪素単結晶（シリコン）などの比較的に狭い禁止幅の半導体材料を基板として用いて、そのｐｎ接合構造を形成した場合、ＬＥＤの耐電圧性には向上を来たせるものの、シリコン基板等に因る発光の吸収を回避して発光強度に優れるＬＥＤ等を得るには、ＬＥＤ用途の電極の構成を含めて、ＬＥＤの構造に創意を加える必要がある。
本発明は上記に鑑み提案されたもので、耐電圧を向上させても小型化とコスト低減が可能で、保護ダイオードも不要となり、さらに発光強度にも優れる発光ダイオード及び発光ダイオードランプを提供することを目的とする。
１）上記目的を達成するために、第１の発明は、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体層上に形成された第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体層上に形成された第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、上記第１の伝導形の珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成するとともに、その珪素単結晶基板の発光部が設けられている側とは反対側の基板裏面から積層方向に向けて珪素単結晶基板に光反射用穴を設け、その光反射用穴の内周面および珪素単結晶基板の基板裏面を金属膜で被覆し、上記光反射用穴は珪素単結晶基板の基板裏面から、第２のｐｎ接合構造部に向けて貫通する貫通孔であり、その貫通孔に臨む第２のｐｎ接合構造部下面が光反射用穴の内周面の一部をなしているものである。
２）第２の発明は、上記した１）に記載の発明の構成において、上記第２のｐｎ接合構造部は、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板の表面に接合させて設けた、発光部からの発光を透過できる半導体材料から構成した第２の伝導形の半導体層とから形成されるものである。
３）第３の発明は、上記した１）に記載の発明の構成において、上記第２のｐｎ接合構造部は、第１の伝導形の珪素単結晶基板の表面上に設けた、発光部からの発光を透過できる第１の伝導形の半導体材料からなる第１の伝導形の半導体層と、第１の伝導形の半導体層に接合させて設けた、発光部からの発光を透過できる第２の伝導形の半導体材料からなる第２の伝導形の半導体層とから形成されるものである。
４）第４の発明は、上記した１）項から３）項の何れか１項に記載の発明の構成において、上記珪素単結晶基板の基板裏面を被覆する金属膜は、珪素単結晶基板についてオーミック接触性を呈する金属材料からなるものである。
５）第５の発明は、上記した４）項に記載の発明の構成において、上記光反射用穴の内周面を被覆する金属膜は、珪素単結晶基板についてオーミック接触性を呈する金属材料からなるものである。
６）第６の発明は、上記した１）項から４）項の何れか１項に記載の発明の構成において、上記光反射用穴の内周面を被覆する金属膜と、珪素単結晶基板の基板裏面を被覆する金属膜とは、異なる金属材料からなるものである。
７）第７の発明は、上記した６）項に記載の発明の構成において、上記光反射用穴の内周面を被覆する金属膜は、珪素単結晶基板の基板裏面を被覆する金属膜に比べて、発光部から出射される光について、より反射率の高い金属材料からなるものである。
８）第８の発明は、上記の１）項から７）項の何れか１項に記載の発光ダイオードを用いて構成されている、ことを特徴とする発光ダイオードランプである。
９）第９の発明は、上記した８）項に記載の発明の構成において、上記第１の極性のオーミック電極と、金属膜のうちの少なくとも珪素単結晶基板の基板裏面の金属膜とが等電位に接続されているものである。
１０）第１０の発明は、上記した８）項または９）項に記載の発明の構成において、上記第１の極性のオーミック電極と、金属膜と、発光ダイオードを固定するとともに金属膜と電気的に接触する支持器とが、等電位となるように接続されているものである。
本発明によれば、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体層上に形成された第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体層上に形成された第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、上記第１の伝導形の珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成するとともに、その珪素単結晶基板の発光部が設けられている側とは反対側の基板裏面から積層方向に向けて珪素単結晶基板に光反射用穴を設け、その光反射用穴の内周面および珪素単結晶基板の基板裏面を金属膜で被覆し、光反射用穴は珪素単結晶基板の基板裏面から、第２のｐｎ接合構造部に向けて貫通する貫通孔であり、その貫通孔に臨む第２のｐｎ接合構造部下面が光反射用穴の内周面の一部をなしているので、外部に保護ダイオードなどの耐電圧性を向上させるための電子部品を敢えて付加しなくとも第２のｐｎ接合構造部により簡便に高い耐電圧性のＬＥＤ（発光ダイオード）を提供することができ、したがって、耐電圧を向上させても小型化とコスト低減が可能となる。さらに光反射用穴の内周面を金属膜で被覆して、発光部から出射される光を、発光の取り出し方向に反射させることにより、発光を効率よく取り出すことができ、発光強度にも優れる発光ダイオードを提供することができる。
また、本発明によれば、第１の伝導形の珪素結晶基板の基板裏面に、珪素単結晶とオーミック接触をなす金属材料からなる金属膜を設け、この金属膜と第１の極性のオーミック電極とを、略同一の電位となるように電気的に接続してＬＥＤランプ（発光ダイオードランプ）を作製することとしたので、静電気等に因り、不用意に発生する逆方向の過電流を珪素単結晶基板内に平面的に効率的に分散して低密度で通流させることができ、耐電圧性に優れるＬＥＤランプを、従来の如く保護ダイオード等の電子部品を敢えて付帯させずとも、簡便に提供できる。
更に、本発明によれば、金属膜と、ランプとなすためにＬＥＤを支持する支持器の領域と、第１の極性のオーミック電極とを等電位に接続してＬＥＤランプを構成することとしたので、静電気等に因り、ＬＥＤの発光部に逆方向の過電流が不用意に流通するのを回避でき、従って、逆方向の耐電圧性に更に優れる高輝度のＬＥＤランプを提供できる。
本発明では、ｎ形またはｐ形の珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）を基板として使用する。例えば、表面を｛１１１｝結晶面とするｎ形またはｐ形の珪素単結晶を基板とする。また、表面を、｛００１｝結晶面、或いはそれより傾斜した結晶面とするｎ形またはｐ形珪素単結晶を基板として用いる。此処で、珪素単結晶の導電形が本発明の云う第１の伝導形である。基板としては、高抵抗のｐ形またはｎ形の珪素単結晶も用いることができるが（高抵抗のｐ形またはｎ形半導体は、各々、π形またはν型と称される場合がある（米津 宏雄著、「光通信素子工学−発光・受光素子−」、平成７年５月２０日、工学図書（株）発行、５版、３１７頁脚注参照））、ＬＥＤやレーザダイオード（ＬＤ）を構成するには、低抵抗の導電性ｐ形またはｎ形珪素単結晶を基板として使用するのが好適である。
第１の伝導形の珪素単結晶からなる基板上には、逆方向の過電流がＬＥＤの発光部に流通するのを防止するための第２のｐｎ接合構造を形成する。この逆方向の耐電圧を向上させるための第２のｐｎ接合構造は、第１の伝導形の珪素単結晶基板とその上に設けるＬＥＤ用途の発光部に渡る領域に設ける。ｐｎ接合構造は、第１の伝導形（導電形）の珪素単結晶基板と、その表面に接合させて設けた、第１とは反対の第２の伝導形の半導体材料からなる半導体層とから形成できる。
第１の伝導形が例えば、ｐ形であれば、第２の伝導形はｎ形となるので、ｐ形珪素単結晶基板と、その基板の表面に接合させて設けたｎ形の半導体層とから第２のｐｎ接合を形成する。また、例えば、ｎ形珪素単結晶基板上に、高抵抗のｐ形（π形）半導体層を設けてｐｎ接合構造を形成する。また、別の例として、ｐ形珪素単結晶基板上とそれに接合させて設けた高抵抗のｎ形半導体層（ν型）とから第２のｐｎ接合構造を形成する。
また、第１の伝導形の珪素単結晶基板とその上の発光部に渡る領域に設ける第２のｐｎ接合構造は、第１の伝導形の珪素単結晶基板上に形成した第１の伝導形の材料からなる半導体層と、それに接合させて設けた第２の伝導形の半導体材料からなる半導体層とからも構成できる。即ち、第１の伝導形の珪素単結晶基板／第１の伝導形の半導体層／第２の伝導形の半導体層（記号／は接合を表す。）からなる積層構成から第２のｐｎ接合構造を形成できる。
なお、以下の説明において、第１及び第２の伝導形の半導体層という表現を用いるが、第１の伝導形の珪素単結晶基板と第２の伝導形の半導体層とから第２のｐｎ接合構造部を構成する場合は、半導体層とは、第１の伝導形のものは単結晶基板であるため、第１及び第２の伝導形の半導体層は第２の伝導形の半導体層のみを意味することとする。
第１及び第２の伝導形の半導体層は、ＬＥＤの発光部から出射される光を充分に透過できる禁止帯幅（Ｅｇ）の高い半導体材料から構成する。例えば、立方晶３Ｃ型（Ｅｇ＝２．４ｅＶ）、または六方晶の４Ｈ型（Ｅｇ＝３．３ｅＶ）或いは６Ｈ型（Ｅｇ＝３．０ｅＶ）の炭化珪素（ＳｉＣ）から構成できる。第１または第２の伝導形の炭化珪素層は、例えば、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法により形成できる。また、高真空中で、珪素単結晶の表面に向けてアセチレン（分子式：Ｃ2Ｈ2）等の炭化水素系気体を照射する手段を利用しても形成できる。｛００１｝−結晶面を表面とする珪素単結晶基板を用いれば、｛００１｝−配向性の立方晶の３Ｃ型ＳｉＣ層を形成できる。｛１１１｝−結晶面を表面とする珪素単結晶基板を用いれば、｛１１１｝−配向性の３Ｃ型ＳｉＣ層を形成できる。
また、第１及び第２の伝導形の半導体層は、燐化硼素（ＢＰ）系化合物半導体材料からも構成できる。燐化硼素系化合物半導体とは、硼素（元素記号：Ｂ）と燐（元素記号：Ｐ）とを構成元素として含むIII−Ｖ族化合物半導体である。例えば、燐化硼素・ガリウム（組成式ＢYＧａ1-YＰ：０＜Ｙ≦１）であり、燐化硼素・インジウム（組成式ＢZＩｎ1-ZＰ：０＜Ｚ≦１）である。また、室温での禁止帯幅を２．０ｅＶ或いはそれ以上の単量体のＢＰを例示できる。
第１及び第２の伝導形の燐化硼素系半導体層は、例えば、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）気相エピタキシャル（ＶＰＥ）成長法、ハイドライド（水素化物；ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥ法、または、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法などのエピタキシャル成長方法により形成できる。特に燐（Ｐ）を構成元素として含む化合物半導体薄膜の成長に常用されているＭＯＣＶＤ法は、好適に用いれる。所望の逆方向の耐電圧を与える抵抗率や層厚の第１及び第２の伝導形の燐化硼素系化合物半導体層は、不純物を故意に添加しない（アンドープ）層であっても差し支えはない。また、その成長時に、ｐ形不純物またはｎ形不純物を故意に添加した、所謂、不純物ドーピング層であっても構わない。
第１及び第２の伝導形の半導体層は、また、室温で広い禁止帯幅をもつIII族窒化物半導体材料から構成できる。例えば、ウルツ鉱結晶型の窒化ガリウム（ＧａＮ）（Ｅｇ＝３．４ｅＶ）、閃亜鉛鉱結晶のＧａＮ（Ｅｇ＝３．２ｅＶ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（Ｅｇ＝５．９ｅＶ）、窒化アルミニウム・インジウム（組成式ＡｌQＩｎ1-QＮ：０＜Ｑ＜１）等のアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体混晶等から構成できる。第２の伝導形の半導体層上に、III族窒化物半導体材料からなるＬＥＤの発光部を構成する場合、第２の伝導形の半導体層をIII族窒化物半導体材料から構成すると、格子ミスマッチの少なさから、発光部を構成するに適する良質なIII族窒化物半導体層をもたらせる。
第１の伝導形の珪素単結晶基板と接合して第２のｐｎ接合構造をなす第２の伝導形の半導体層、または、第２のｐｎ接合をなす第１及び第２の伝導形の半導体層は、好都合な逆方向の耐電圧性を帰結する様なキャリア濃度（または抵抗率（＝比抵抗））と層厚とを有しているのが望ましい。第１及び第２の伝導形の半導体層の抵抗率、または抵抗率に反比例するキャリア濃度（ｎ（ｃｍ-3）またはｐ（ｃｍ-3））と層厚（ｄ（ｃｍ））とは、ｐｎ接合構造が好適な逆方向電圧を顕現するに好都合となる様に調整する。例えば、第１及び第２の伝導形の半導体層は、抵抗率（＝比抵抗）にして１×１０4Ω・ｃｍ未満であり、層厚は数十μｍ以下、更に望ましくは１０μｍ以下とするのが望ましい。極端に抵抗が高く、且つ層厚が極端に厚い半導体材料から構成すると、通流抵抗が高くなるため、第１の伝導形の珪素単結晶基板を経由し、ＬＥＤの発光部を回避して、後述する第２の極性のオーミック電極に効果的に逆方向の過電流を逃がせない不都合を生ずる。
本発明に係る第２のｐｎ接合構造が保有すべき逆方向の耐電圧（＝ＶB）は、ＬＥＤの順方向電圧（所謂、発光部をなす第１のｐｎ接合のＶF）を超えて高く、且つ、逆方向電圧（所謂、発光部をなすｐｎ接合のＶR）より小さい範囲にある。例えば、ＶBは、順方向電流を１０マイクロアンペア（μＡ）とした際のＬＥＤの順方向電圧（ＶF（単位：Ｖ））の２倍を超え、ＬＥＤの逆方向電圧（ＶR（単位：Ｖ））（ここでは、１０μＡの電流を通流した際の逆方向電圧を指す。）の１／２よりも小である範囲にあるのが好適である。即ち、０．５・ＶR＞ＶB＞２．０・ＶFの大小関係を与える逆方向の耐電圧（ＶB）を有するｐｎ接合構造であることが望ましい。
本発明に係るＬＥＤは、第１の伝導形の珪素単結晶基板上に設けた上記の耐圧（ＶB）性を有する第２のｐｎ接合構造と、その上の発光部を構成する第１の伝導形の半導体層または発光部上の第１の伝導形の半導体層に形成した第１の極性のオーミック電極と、第２のｐｎ接合構造を構成する第２の伝導形の半導体層または発光部を構成する第１とは反対の第２の伝導形の半導体層に第２の極性のオーミック電極とを設けて構成される。第１の伝導形とは、基板をなす珪素単結晶の伝導形であり、従って、第１の極性のオーミック電極は、珪素単結晶基板と同一の第１の伝導形の半導体層に設ける。
本発明のＬＥＤを構成するための第２の極性のオーミック電極は、珪素単結晶基板の同一の表面側に配置するものの、第１の極性のオーミック電極を設けた第１の伝導形の半導体層とは、上下方向（ＬＥＤの鉛直方向）に異なる位置に在る第２の伝導形の半導体層上に形成する。第１の極性の電極は、ｐｎ接合型発光部に備えられている発光層より上に積層した第１の伝導形の半導体層に設けるのに対し、第２の極性のオーミック電極は、発光層より下方の第２の伝導形の半導体層に設ける。例えば、発光部をなす第２の伝導形の下部クラッド層、下部クラッド層を設けるための下地層たる第２の伝導形のバッフア層、或いは第２の伝導形のブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射層等に接触させて設ける。
第１の極性のオーミック電極が陽極（正極、（＋）極）ならば、対応して第２の極性のオーミック電極は、陰極（負極、（−）極）となる。第１の伝導形がｎ形ならば、このｎ形半導体層上設ける第１の極性のオーミック電極は陰極となる。反対に、第２の極性のオーミック電極は陽極となる。第１の伝導形がｐ形ならば、第１の極性のオーミック電極は陽極となり、従って、第２の極性のオーミック電極は陰極となる。
第１の極性のオーミック電極は、例えば、導電体と略等電位となす結線（ｂｏｎｄｉｎｇ）を施すために半導体層の表面に設けられたオーミック性金属膜からなる台座（ｐａｄ）電極として形成され得る。また、台座電極と、台座電極に導通させて、発光層または発光部上の第１の伝導形の半導体層の表面に延在させた第１の極性のオーミック電極とから構成できる。第１の伝導形の半導体層の表面の略全面に第１の極性のオーミック電極を延在して配置することにより、ＬＥＤを発光させるための駆動電流を順方向に平面的に拡散させるに効果を上げられる。
順方向電流とは、第１の極性のオーミック電極が陽極であり、第２の極性のオーミック電極が陰極である場合、陽極に正電圧を印加し、陰極にその正電圧よりも低い電圧を印加した際に両極性のオーミック電極間に流れる電流である。また、第１の極性のオーミック電極が陰極であり、第２の極性のオーミック電極が陽極である場合、陰極に負電圧を印加し、陽極にその負電圧よりも高い電圧を印加した際に両極性のオーミック電極間に流れる電流である。
結線用の台座電極に加えて、第１の伝導形の半導体層の表面上に、第１の極性のオーミック性電極を万遍無く平面的に配置して、ＬＥＤからの発光をもたらすための順方向電流を第１の伝導形の半導体層を介して発光部に拡散させる構成とした場合、延在させる電極と台座電極とは、電気的に導通させる必要があるが、台座電極は、第１の伝導形の半導体層についてオーミック性接触を呈する金属膜から、必ずしも構成する必要はない。台座電極を第１の伝導形の半導体層について非オーミック性の接触を形成する材料から構成すると、台座電極と第１の伝導形の半導体層との間の接触抵抗が高くなり、第１の伝導形の半導体層を介して、ＬＥＤを駆動させるための駆動電流が台座電極の底部から発光部に短絡的に流通するのを回避できる。
第１の極性オーミック電極に電気的に導通させて設ける台座電極は、それへの結線時に於ける機械的衝撃或いは熱的衝撃が第１の伝導形の半導体層、しいては発光をもたらす発光部へ波及するのを抑制するため数μｍ程度の層厚の厚い金属膜から構成する。このため、台座電極の射影領域に在る発光部からの発光は、台座電極をなす厚い金属膜に因り遮蔽され、ＬＥＤの外部へ取り出せない。従って、台座電極を第１の伝導形の半導体層について非オーミック性を呈する材料から構成し、台座電極の射影領域に在る発光部への短絡的な順方向電流の流通を阻止した上で、台座電極に導通する延在させた電極により、第１の伝導形の半導体層に順方向電流を平面的に拡散させれば光電変換効率の高い高輝度のＬＥＤを得ることができる。
台座電極と電気的に導通させて、第１の伝導形の半導体層に延在させる第１の極性のオーミック電極は、第１の伝導形の半導体層の表面、しいてはその下方の発光部に均一に順方向電流を拡散できる様に配置する。例えば、平面視で格子状、網状、同心円状、または枠状等の形状に、フォトリソグラフィー技術等を利用して加工されたオーミック性金属膜から構成できる。更には、第１の伝導形の半導体層へ均等な電流密度で順方向電流を流通させられる形状の電極から構成する。例えば、台座電極から第２の極性のオーミック電極へ向けての距離が増すに連れて、間隔を狭めた格子状の、或いはその距離に応じて直径を段階的に小さくした同心円状の形状から構成する。
発光層または発光部より下方の、珪素単結晶基板側に在る第２の伝導形の半導体層に第２の極性のオーミック電極を配置するには、そのオーミック電極を設けるための領域に存在する発光部を除去する必要がある。即ち、発光をもたらす発光部の一部の領域を敢えて除去し、発光をもたらせる領域の面積を減じて設ける必要がある。このため、第２の極性のオーミック電極は、結線ができる最小限の平面積を有する電極とし、除去する発光部の領域が過大となるのを回避するのが、高輝度のＬＥＤを得る場合の得策となる。例えば、第２の極性のオーミック電極は、結線に必要な台座電極のみから構成できる。第２の極性のオーミック電極を兼ねる台座電極として、直径を８０μｍ〜１５０μｍとする平面視で円形の、また、一辺の長さを８０μｍ〜１５０μｍとする平面視で正方形の金属電極を例示できる。
本発明に於いてＬＥＤを構成する上での更なる特徴は、第１の伝導形の珪素単結晶基板の裏面（発光部が設けられているのとは反対側の表面）に光反射用穴を設けていることである。図１に、光反射用穴１Ｂを設けた珪素単結晶基板１Ａの裏面の平面模式図を示す。光反射用穴１Ｂは、図１の平面模式図に例示する如く、珪素単結晶基板の裏面の中央部に唯一、設けても構わない。また、同一の開口径の円柱状孔を基板裏面に一様に複数の箇所にわたって設けても構わない。光反射用穴の水平断面形状は円形に限定されず、四角形等の方形、六角形等の多角形等とすることができる。光反射用穴１Ｂは、フォトリソグラフィー技術を利用して、所望の水平断面形状の光反射用穴１Ｂを得る様にパターニングを施した後、弗化水素酸（ＨＦ）などを用いる湿式エッチング法等より形成できる。
図２は、光反射用穴１Ｂの断面構造を模式的に示す垂直（鉛直）断面図である。光反射用穴１Ｂの閉塞上壁には、珪素単結晶からなる薄膜層を残存させても構わないが、光反射用穴１Ｂは基板裏面から、珪素単結晶基板に接合させて設けられている上層（第１または第２の伝導形の半導体層）１Ｃに向けて貫通する貫通孔であるのが最も好ましい。貫通孔である場合は、その貫通孔に臨む上層１Ｃの下面が光反射用穴１Ｂの内周面の一部（閉塞上壁）をなしている。図２に併せて示すが、光反射用穴１Ｂの内周面及び珪素単結晶基板１Ａの裏面には、金属膜１Ｄを被着させる。特に、発光部と対向する光反射用穴１Ｂの閉塞上壁に被着した金属膜１Ｄは、発光部から出射される発光を発光の取り出し方向に反射させる作用を有する。これ故、金属膜１Ｄは発光部からの発光に対して高い反射率を有する金属材料から構成するのが好ましい。例えば、アルミニウム（元素記号：Ａｌ）、銀（元素記号：Ａｇ）、或いは金（元素記号：Ａｕ）から構成する。光反射用穴１Ｂを貫通孔とするのが好ましいのは、この閉塞上壁での光反射を効率よく行わせるためである。
また、珪素単結晶基板１Ａを被覆している金属膜１Ｄは、後述するＬＥＤランプを構成するためにＬＥＤチップを支持するための支持器と珪素単結晶基板との電気的な接触性を良好にする作用を有する。特に、金属膜１Ｄを珪素についてオーミック接触をなす金属材料から構成すると、支持器と珪素単結晶基板との接触抵抗が低減され、従って、逆方向の過電流を珪素単結晶基板の内部を通じて、発光部を通過させずに、効率的に第２の極性のオーミック電極へと逃がすに効果を上げられる。珪素単結晶についてのオーミック材料としては、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）を例示できる。
光反射用穴の内周面に被着させる金属膜と、珪素単結晶の裏面に被着させる金属膜とを同一の金属膜から構成しても構わない。例えば、珪素単結晶についてオーミック接触をなす金属材料で、光反射用穴の内周面と珪素単結晶の裏面とを共に被覆しても構わない。オーミック接触をなす材料で光反射用穴と珪素単結晶の裏面とを共に被覆することにより、オーミック接触をなす領域が拡張されるため、逆方向の過電流を珪素単結晶基板の内部に分散させて通流させることができる。このため、珪素単結晶基板内に流れ込む逆方向の電流の密度を低減でき、より耐電圧性に優れるＬＥＤを構成できる。
また、光反射用穴の内周面に被着させる金属膜と、珪素単結晶の裏面に被着させる金属膜とは、異なる金属材料から構成しても構わない。この場合、光反射用穴の内周面に被着させる金属膜を、ＬＥＤの発光部から出射される光について高い反射率を有する金属材料から構成するのが好適である。特に、光反射用穴の内周面に被着させる金属膜は、珪素単結晶基板の裏面を被覆するオーミック接触性金属よりも更に、高い効率で発光部からの発光を反射できる金属材料から構成するのが好ましい。例えば、光反射用穴以外の珪素単結晶基板の裏面の領域をアルミニウム膜で被覆し、光反射用穴の内周面には銀（Ａｇ）膜を被着させる構成を例示できる。発光部と対向ずる位置に在る光反射用穴の底面にこの様な高反射率の金属膜を被着させると、高輝度のＬＥＤを得るに優位となる。
本発明に係わるＬＥＤランプは、発光部上に設けた正または負の第１の極性のオーミック電極と、基板の第１の伝導形の珪素単結晶の裏面側に設けた上記の金属膜とを等電位とする様に電気的に接続して作製する。発光部上に設けた第１の伝導形の半導体層上の第１の極性のオーミック電極と第１の伝導形の珪素単結晶基板とを略等電位に電気的に接続するのは、例えば、それらを等電位にある同一の端子に結線し、電気的に接続する方法により簡便に達成できる。
本発明に係る第２のｐｎ接合構造は、その逆方向の耐電圧（上記した電圧ＶBである。）が、ＬＥＤの発光部を構成する第１のｐｎ接合の逆方向電圧（上記の電圧ＶRである。）より低値となる様に構成されている。従って、上記の如くの電気的結線を果たすことにより、不用意に逆方向の電圧が印加された際に発生する逆方向への過電流を、発光部ではなく、例えば、第２の伝導形の半導体層上の正又は負何れかの第２の極性の第２のオーミック電極を経由して、ＬＥＤの外部へと逃がすことができる。従って、不用意な逆方向の過電流の通流に因るＬＥＤの発光部の破壊を回避でき、耐電圧性に優れるＬＥＤランプをもたらせる。
上記の光反射用穴を設けた、珪素単結晶基板の裏面側に配置する金属膜を、珪素単結晶とオーミック接触する金属材料から構成し、金属膜と珪素単結晶基板との間の逆方向の過電流の通流に対する電気抵抗を低減する構成とし、上記の如くの等電位となす結線を施せば、より効率的に珪素単結晶基板を介して第２の極性のオーミック電極へと逆方向の過電流を流通させることができる。即ち、より耐電圧性に優れるＬＥＤランプを得るに効果が奏される。
一方で、本発明に係わるｐｎ接合構造は、その耐電圧（上記した電圧ＶBである。）が、ｐｎ接合型発光部を有するＬＥＤの順方向電圧（上記の電圧ＶFである。）より高値となる様に構成されている。従って、上記の如くの電気的結線を果たすことにより、ＬＥＤを発光させるために正常に順方向に通流された駆動電流が、珪素単結晶基板へと不要に漏洩するのを防止できる。従って、不用意に印加される逆方向の過電圧に対し、耐電圧性に優れ、且つ、光電変換効率にも優れるＬＥＤランプをもたらせる。
更に、ＬＥＤランプを作製するためのＬＥＤを構成するに用いた第１の伝導形の珪素単結晶基板の裏面側に設けた上記の金属膜と、その金属膜と接触する支持器の領域とを、等電位としてランプを構成すると、不用意に印加される逆方向の過電流に対し耐電圧性に優れるランプを構成できる。第１の伝導形の珪素単結晶基板の裏面の金属膜と、それを支持、固定する導電性の支持器の領域とを、平面的に広く電気的に接触させ等電位とすることにより、珪素単結晶基板の内部を流通する逆方向の過電流の密度を減少させられる。従って、より不用意な逆方向の過電流からＬＥＤランプを構成するＬＥＤが破壊されるのを防ぐにより効果がある。本発明では、珪素単結晶基板の裏面の金属膜と、それと電気的に接触している支持器の導電性領域とを等電位となす電気的結線を施す場合にも、珪素単結晶基板の裏面の金属膜と第１の極性の電極とは、同じく等電位とする。
（実施例１） 本実施例１では、第１の伝導形のｐ形の珪素単結晶を基板として使用し、その基板上に積層させた第２の伝導形のｎ形の半導体材料からなる半導体層とから構成した耐電圧性を向上させるための第２のｐｎ接合構造を内包するＬＥＤを作製する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。
図３は、本実施例で作製した、発光部に備えられている第１のｐｎ接合に加えて、発光部以外に耐電圧性を向上させるための第２のｐｎ接合構造を内包するＬＥＤの平面模式図である。また、図４は、図３に示す高耐電圧型ＬＥＤの破線Ｉ−Ｉ’線に沿った断面模式図である。
ＬＥＤ１０を作製するための積層構造体１００は、硼素（元素記号：Ｂ）をドープした、表面を（１１１）結晶面とするｐ形珪素単結晶（従って、本実施例１では、第１の伝導形はｐ形である。）を基板１０１として形成した。珪素単結晶基板１０１の（１１１）結晶面からなる表面には、ｐ形炭化珪素（ＳｉＣ）薄膜層（層厚約２ｎｍ）１０２を形成した。第１の伝導形のｐ形ＳｉＣ薄膜層１０２の表面には、珪素（元素記号：Ｓｉ）をドープしたｎ形の窒化ガリウム（ＧａＮ）層（層厚約３μｍ、キャリア濃度約４×１０18ｃｍ-3）１０３を直接、接合させて設けた。このｎ形ＧａＮ層１０３は、本発明の云う第２の伝導形（本実施例１では、ｎ形である。）の半導体層に該当する。
第１の伝導形であるｐ形ＳｉＣ薄膜層１０２と、第２の伝導形であるｎ形ＧａＮ層１０３とを接合させて設けることにより、不用意に逆方向に印加される過電圧に因り発光部４０に過電流が通流するのを回避するための第２のｐｎ接合構造部３０を形成した。
別途、積層構造体１００を形成するのに使用したのと同一の抵抗率、キャリア濃度及び厚さの硼素ドープ（１１１）−珪素単結晶基板上に、上記と同一の仕様のｐ形ＳｉＣ薄膜層及びｎ形ＧａＮ層を気相成長させ、ｐｎ接合を形成した。ｐ形珪素単結晶基板の裏面側に、一般的な真空蒸着手段によりアルミニウム（元素記号：Ａｌ）膜を被着させた後、シンターしてオーミック電極となした。ｎ形ＧａＮ層の表面には、ランタン（元素記号：Ｌａ）・Ａｌ合金真空蒸着膜からなるオーミック電極を形成し、このｐｎ接合の逆方向の耐電圧（本発明の云うＶBである。）を測定した。逆方向電流を１０μＡとして際の耐電圧は約７．１ボルト（Ｖ）であった。
ｐｎ接合構造部３０の一構成要素であるｎ形ＧａＮ層１０３上には、インジウム（元素記号：Ｉｎ）組成比を異にする複数の相（ｐｈａｓｅ）からなるｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ1-αＩｎαＮ：平均的なＩｎの組成比（＝α）は０．１９である。）層を井戸層とし、ｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ）層を障壁層とする多重量子井戸構造からなる発光層１０４を積層した。多重量子井戸構造の発光層１０４は、井戸層と障壁層との対の数（ペア数）を５として形成した。ｎ形発光層１０４上には、ｐ形のＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層（層厚約５０ｎｍ、キャリア濃度約３×１０17ｃｍ-3）からなる上部クラッド層１０５を積層させた。これにより、ｎ形ＧａＮ層１０３からなる下部クラッド層と、発光層１０４と、上部クラッド層１０５とからｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造型の発光部４０を形成した。上部クラッド層１０５上には、第１の伝導形、即ち、本実施例１ではｐ形のＧａＮ層１０６をコンタククト層として積層させた。
ｐ形珪素単結晶基板１０１上に、第１及び第２の伝導形を有する上記の各半導体層１０２〜１０６を、同一の分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法で気相成長させ、積層構造体１００の形成を終了した後、第２の伝導形（本実施例１では、ｎ形である。）の半導体層に第２の極性（本実施例１では陰極である。）のオーミック電極１０８を設ける領域に限り、その上に在る半導体各層１０４〜１０６を除去した。半導体各層１０４〜１０６は、一般的なフォトリソグラフィー技術を利用してパターニングした領域を選択的にドライエッチング手段により除去した。
ドライエッチング手段を利用して露出させたｎ形ＧａＮ層１０３の表面には、第２の伝導形の半導体層（本実施例１では、ｎ形半導体層）のための第２の極性のオーミック電極１０８を形成した。結線用の台座（ｐａｄ）電極を兼用する、この第２の極性（陰極）のオーミック電極は、膜厚を約２μｍとするＬａ・Ａｌ合金真空蒸着膜から構成した。第２の極性のオーミック電極を兼ねる台座電極１０８は、平面視で、一辺の長さを約１２０μｍとする正方形とした。
一方、積層構造体１００の最表層をなす第１の伝導形（本実施例１では、ｐ形）のｐ形ＧａＮコンタクト層１０６の表面の一部の領域には、平面視で略正方形の金（元素記号：Ａｕ）・ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）合金膜からなる結線用の台座電極１０７ａを設けた。台座電極１０７ａの形状は、一辺の長さを約１１０μｍとする正方形とした。また、結線用台座電極１０７ａに電気的に導通させて、Ａｕ・ニッケル（元素記号：Ｎｉ）合金からなる第１の極性（本実施例１では陽極）のオーミック電極１０７ｂを設けた。第１の極性のオーミック電極１０７ｂは、上記のドライエッチングを施した後に残存する第１の伝導形（本実施例１ではｐ形）のｐ形ＧａＮコンタクト層１０６の全面に略均等にＬＥＤ駆動用電流を拡散させるために、格子状に配置した（図３参照）。
また、珪素単結晶基板１０１の裏面には、一旦、一般的なフォトリソグラフィー技術を利用してパターニングを施した後、弗化水素酸を使用して、パターニングした領域に在る、基板１０１をなす珪素単結晶をエッチングにより除去し、光反射用穴１０９を形成した。珪素単結晶基板１０１は、光反射用穴１０９の閉塞上壁１０９ａに上記の第１の伝導形のＳｉＣ層１０２が露出する迄、エッチングした。これにより、ｐ形ＳｉＣ層１０２の下面を閉塞上壁１０９ａとする光反射用穴１０９を珪素単結晶基板１０１の中央に設けた。珪素単結晶基板１０１を貫通する光反射用穴１０９の水平断面形状は円形とし、その円形断面の直径は約１５０μｍとした。
光反射用穴１０９の閉塞上壁１０９ａ及び側壁１０９ｂ、及び光反射用穴１０９以外の珪素単結晶基板１０１の裏面には、それらの表面を被覆する様に、一般的な真空蒸着手段を利用してアルミニウム（Ａｌ）膜１１０を被着させた。
然る後、一般的な裁断手段により、個別の素子（チップ）へ分離し、一辺を約３５０μｍとする平面視正方形のチップ（ｃｈｉｐ）状のＬＥＤ１０を得た。ＬＥＤ１０のオーミック電極１０７ｂ、１０８間に順方向に電流を通流したところ、ｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部４０を備えたＬＥＤ１０からは、波長を約４５０ｎｍとする青色光が出射された。順方向電流を２０ｍＡとした際のＬＥＤ１０の順方向電圧（ＶF）は３．５Ｖであった。順方向電流を１０μＡとした際のＶFは、２．９Ｖとなった。また、逆方向電流を１０μＡとした際のＬＥＤ１０の逆方向電圧は、１５．０Ｖとなった。
（実施例２） 本実施例２では、上記の実施例１に記載のＬＥＤ１０を使用して、本発明に係わる、高い耐電圧性を有するＬＥＤランプを作製する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。
図５に、ＬＥＤランプ５０の断面構造を模式的に示す。図５に於いて、図３及び図４に示したのと同一の構成要素については、同一の符号を付して示してある。
ＬＥＤランプ５０は、実施例１に記載のチップ状のＬＥＤ１０を、支持器５０１に載置し、固定して作製した。ＬＥＤ１０のｐ形珪素単結晶基板１０１の裏面の金属膜１１０は、支持器５０１の平坦な上面部５０１ａと電気的に導通させるために、一般的な導電性の銀（Ａｇ）系ペースト剤１１１で接着させた。また、支持器５０１の上面部５０１ａと電気的に導通している結線用電極端子５０２と、実施例１に記載の第１の極性（実施例１では陽極であり、本実施例２に於いても陽極である。）の台座電極１０７ａとを金（Ａｕ）線５０３で電気的に接続した。これにより、第１の伝導形（本実施例２では、ｐ形）の珪素単結晶基板１０１の裏面の金属膜１１０と、台座電極１０７ａに導通する第１の極性（本実施例２では、陽極）の格子状オーミック電極１０７ｂとを等電位とさせた。
一方、上記の実施例１に記載の第２の極性（＝陰極）のオーミック電極１０８は、支持器５０１の本体及び上面部５０１ａとも電気的に絶縁させて設けた他の一方の結線用電極端子５０４に金線５０５で電気的に接続した。即ち、第１の伝導形（＝ｐ形）の珪素単結晶基板１０１の裏面の金属膜１１０と第１の極性のオーミック電極（＝陽極）とを、第２の極性のオーミック電極（＝陰極）とは等電位とするのを避ける結線を施した。次に、一般的な半導体素子封止用のエポキシ樹脂５０６で、ＬＥＤ１０の外周囲を被覆（モールド）して、ＬＥＤランプ５０とした。
第１の伝導形（本実施例２では、ｐ形）の珪素単結晶基板１０１と第１の極性のオーミック電極（本実施例２では、陽極）との双方に電気的に導通する電極端子５０２と、第２の極性のオーミック電極（本実施例２では、陰極）に電気的に導通する電極端子５０４との間に順方向に電流を流し、ＬＥＤランプ５０の光学的並びに電気的特性を測定した。主たる発光スペクトルの波長は約４５０ｎｍであり、上記の実施例１に記載のチップ状のＬＥＤ１０とそれ程の変化は認められなかった。一般的な積分球を利用して測光したＬＥＤランプ５０の光度は、約３カンデラ（ｃｄ）であり、比較のために、珪素単結晶基板１０１に光反射用穴および金属膜を設けずに構成したＬＥＤに上記の結線を施して得られた光度の約１．５倍となった。
また、順方向に２０ｍＡの順方向電流を通流した場合の順方向電圧（ＶF）は３．５Ｖであり、順方向電流を１０μＡとした際のＶFは、２．９Ｖであった。逆方向電流を１０μＡとした際のＬＥＤランプ５０の逆方向電圧（ＶR）も約１５Ｖであり、ＬＥＤランプとなすための上記の結線及びモールド（ｍｏｌｄ）を施した後に於いても、順及び逆方向電圧にそれ程の変化は認められなかった。
次にＬＥＤランプ５０に故意に逆方向に過電圧を印加し、耐電圧性を試験した。この耐電圧性試験は、容量１００ピコファラッド（ｐＦ）及び抵抗１．５キロオーム（ｋΩ）を付加した電気回路を用い、ＬＥＤランプ５０の両電極端子間５０２、５０４に、逆方向に５００Ｖ〜１０００Ｖの過電圧を印加して実施した。過電圧を印加した後、ＬＥＤランプ５０をなすＬＥＤチップ１０の順方向電圧（ＶF）を改めて測定したところ、耐電圧性試験の以前と略同様の約３．６Ｖであった。即ち、過電圧を故意に印加しても、発光部４０に備えられているｐｎ接合は、その過電流から保護され、破壊されることなく正常な整流特性を発現することが示された。これは、ＬＥＤチップ１０の逆方向電圧（ＶR）より低い耐電圧の第２のｐｎ接合構造部３０を発光部４０の直下に設けたため、逆方向に過電圧が印加されても、過電流を第１の極性のオーミック電極１０７ｂ（＝陽極）と等電位となる様に結線された金属膜１１０から、第１の伝導形（＝ｐ形）の珪素単結晶基板１０１を介して、発光部４０を迂回して第２の極性のオーミック電極１０８（＝陰極）に通流させられるためであると解釈された。
（実施例３） 本実施例３では、第１の伝導形のｐ形の珪素単結晶基板と、その上に積層させた第２の伝導形のｎ形のIII族窒化物半導体層とから構成した耐電圧性を向上させるための第２のｐｎ接合構造を内包するＬＥＤを作製する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。
図６は、本実施例３で作製した、発光部に備えられているｐｎ接合に加えて、発光部以外に耐電圧性を向上させるためのｐｎ接合構造を内包するＬＥＤ２０の平面模式図である。また、図７は、図６に示す高耐電圧型ＬＥＤ２０の破線II−II’線に沿った断面模式図である。
ＬＥＤ２０を作製するための積層構造体２００は、硼素（Ｂ）をドープした、表面を（００１）結晶面とするｐ形珪素単結晶（従って、本実施例３では、第１の伝導形はｐ形である。）を基板２０１として形成した。
ｐ形珪素単結晶基板２０１の（００１）結晶面からなる表面には、ｎ形窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜層（層厚約１５ｎｍ）２０２を直接、接合させて設けた。第１の伝導形とは反対の伝導形（本実施例３では、ｎ形である。）のｎ形のＡｌＮ薄膜層２０２は、ＭＢＥ法により形成した。このｎ形ＡｌＮ薄膜層２０２は、本発明の云う第２の伝導形（本実施例３では、ｎ形である。）の半導体層に該当する。これにより、不用意に逆方向に印加される過電圧に因り発光部４１に過電流が通流するのを回避するための第２のｐｎ接合構造部３１を形成した。
ｎ形ＡｌＮ薄膜層２０２の表面には、珪素（Ｓｉ）をドープしたｎ形の閃亜鉛鉱結晶型のＧａＮ層（層厚約２μｍ、キャリア濃度約２×１０18ｃｍ-3）２０３を積層させた。
別途、上記のｐｎ接合構造部３１を形成するに使用したのと同一の抵抗率、キャリア濃度及び厚さの硼素ドープ（００１）−珪素単結晶基板上に、上記と同一の仕様の第２の伝導形のｎ形のＡｌＮ層及びｎ形のＧａＮ層をＭＢＥ法により気相成長させ、ｐｎ接合構造を形成した。第１の伝導形のｐ形珪素単結晶基板の裏面側に、一般的な真空蒸着手段により金（Ａｕ）膜を被着させた後、シンターしてオーミック電極となした。ｎ形ＧａＮ層の表面には、チタン（元素記号：Ｔｉ）膜からなるオーミック電極を形成し、このｐｎ接合の逆方向の耐電圧（本発明の云うＶBである。）を測定した。逆方向電流を１０μＡとして際の耐電圧は約７．４Ｖであった。
第２の伝導形（本実施例３では、ｎ形である。）のｎ形の立方晶ＧａＮ層２０３上には、上記の実施例１に記載したｎ形発光層２０４、ｐ形上部クラッド層２０５、及びｐ形ＧａＮからなるコンタクト層２０６を順次、ＭＢＥ法により積層し、積層構造体２００を形成した。
然る後、上記の実施例１に記載の手順をもって、上記実施例１と同様に第１の極性のオーミック電極（本実施例３では、陽極）２０７ｂ、そのための台座電極２０７ａ、及び第２の極性のオーミック電極（本実施例３では、陰極である。）２０８を形成してＬＥＤ２０を得た。尚、本実施例３では、第１の極性のオーミック電極２０７ｂを、図６の平面模式図に示す如く格子状に配置して、ＬＥＤ駆動電流を、第１の伝導形のｐ形のＧａＮからなるコンタクト層２０６の略全面に拡散させる様に形成した。
また、珪素単結晶基板２０１の裏面をラッピングし、研磨して、元々、約３００μｍであった厚さを約２２０μｍに削減した。その後、薄層化した珪素単結晶基板２０１の裏面に、一旦、一般的なフォトリソグラフィー技術を利用してパターニングを施した後、パターニングした領域に在る、基板２０１をなす珪素単結晶を弗化水素酸を用いた湿式エッチング手段により除去し、光反射用穴２０９を形成した。珪素単結晶基板２０１は、光反射用穴２０９の閉塞上壁２０９ａに上記の第２の伝導形のＡｌＮ層２０２が露出する迄、エッチングした。これにより、ｎ形ＡｌＮ層２０２の下面を閉塞上壁２０９ａとする光反射用穴２０９を、第１の伝導形の珪素単結晶基板２０１に複数設けた。珪素単結晶基板２０１を貫通する光反射用穴２０９の水平断面形状は円形とし、その円形断面の直径は約８０μｍとした。各々の光反射用穴２０９の水平断面上の中心は、上記のｐ形ＧａＮからなるコンタクト層２０６の表面に接触させて配置した第１の極性のオーミック電極２０７ｂの各格子形状の中心と略一致させて設けた。
光反射用穴２０９の周辺に在る第１の伝導形の珪素単結晶基板２０１の裏面には、その表面を被覆する様に、一般的な真空蒸着手段を利用してアルミニウム（Ａｌ）膜２１０を被着させた。光反射用穴２０９の閉塞上壁２０９ａ及び側壁２０９ｂを、敢えて、アルミニウム膜で被着させることはしなかった。
チップ状に裁断したＬＥＤ２０の珪素単結晶基板２０１の裏面において、光反射用穴２０９の閉塞上壁２０９ａ迄、到達する様に、光反射用穴２０９の側壁２０９ｂに沿って、金属膜に代用させて銀（Ａｇ）系ペースト剤２１１を滲み込ませた。その後、珪素単結晶基板２０１の裏面に設けた金属膜２１０の表面を覆う様に、更に、銀系ペースト剤２１１を基板２０１の裏面の全面に塗布した上で、上記の実施例２に記載の支持器に固定した。上記の実施例２と同様に、第１の伝導形（本実施例３では、ｐ形である。）のｐ形珪素単結晶基板２０１の裏面の金属膜２１０及び銀系ペースト剤２１１と、第１の極性のオーミック電極２０７ｂが等電位となる様に結線を施した。第２の極性のオーミック電極（本実施例３では、陰極である。）２０８は、第１の極性のオーミック電極２０７ｂを結線した電極端子と電気的に絶縁されている別の電極端子と結線した。結線後、ＬＥＤ２０の外周囲を半導体素子封止用のエポキシ樹脂でモールドして、ＬＥＤランプとなした。
ＬＥＤランプの第１の極性のオーミック電極と導通する電極端子と、第２の極性のオーミック電極とに導通する電極端子との間に、順方向に２０ｍＡの順方向電流を通流した際の順方向電圧（ＶF）は、約３．６Ｖであった。また、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧（ＶR）は約１５．０Ｖであった。得られた光度は、珪素単結晶基板に光反射用穴および金属膜を設けずに構成したＬＥＤランプの約１．４倍となった。
作製したＬＥＤランプの中から３０個のランプを抜き取り、上記の実施例２に記載の手法により、耐電圧試験をした。その結果、１０００Ｖの過電圧を故意に逆方向に印加した際に、発光部に備えられている第１のｐｎ接合による正常な整流特性が再現されず、発光部が破壊されたと判断されるＬＥＤランプは無かった。即ち、不用意或いは故意に逆方向に過電圧が印加されても、本発明に記載の如くのＶF及びＶRに関連した耐電圧（ＶB）を有する第２のｐｎ接合構造を内包させることにより、耐電圧性の高いＬＥＤランプを安定して供給できることが示された。
本発明に係わる光反射用穴を説明するための平面模式図である。 図１に記載の光反射用穴の断面模式図である。 本発明の実施例１に記載のＬＥＤの平面模式図である。 図３に記載のＬＥＤの破線I−I’に沿った断面模式図である。 本発明の実施例２に記載のＬＥＤランプの断面模式図である。 本発明の実施例３に記載のＬＥＤの平面模式図である。 図６に記載のＬＥＤの破線II−II’に沿った断面模式図である。
符号の説明
１Ａ 珪素単結晶基板
１Ｂ 光反射用穴
１Ｃ 上層（第１または第２の伝導形の半導体層）
１Ｄ 金属膜
１０ ＬＥＤ（チップ）
２０ ＬＥＤ（チップ）
３０ 第２のｐｎ接合構造部
３１ 第２のｐｎ接合構造部
４０ 発光部
４１ 発光部
５０ ＬＥＤランプ
１００ 積層構造体
１０１ 第１の伝導形の珪素単結晶基板
１０２ ｐ形ＳｉＣ薄膜層
１０３ ｎ形ＧａＮ層
１０４ 発光層
１０５ 上部クラッド層
１０６ コンタクト層
１０７ａ 台座電極
１０７ｂ 第１の極性のオーミック電極
１０８ 第２の極性のオーミック電極（台座電極）
１０９ 光反射用穴
１０９ａ 光反射用穴の閉塞上壁
１０９ｂ 光反射用穴の側壁
１１０ 金属膜
１１１ 銀系ペースト剤
２００ 積層構造体
２０１ 第１の伝導形の珪素単結晶基板
２０２ ｎ形ＡｌＮ薄膜層
２０３ ｎ形立方晶ＧａＮ層
２０４ 発光層
２０５ ｐ形上部クラッド層
２０６ コンタクト層
２０７ａ 台座電極
２０７ｂ 第１の極性のオーミック電極
２０８ 第２の極性のオーミック電極（台座電極）
２０９ 光反射用穴
２０９ａ 光反射用穴の閉塞上壁
２０９ｂ 光反射用穴の側壁
２１０ 金属膜
２１１ 銀系ペースト剤
５０１ 支持器
５０１ａ 支持器の上面部
５０２ 結線用電極端子
５０３ 金線
５０４ 結線用電極端子
５０５ 金線
５０６ エポキシ樹脂

Claims (10)

  1. 第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体層上に形成された第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体層上に形成された第２の極性のオーミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、
    上記第１の伝導形の珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成するとともに、その珪素単結晶基板の発光部が設けられている側とは反対側の基板裏面から積層方向に向けて珪素単結晶基板に光反射用穴を設け、その光反射用穴の内周面および珪素単結晶基板の基板裏面を金属膜で被覆し、
    上記光反射用穴は珪素単結晶基板の基板裏面から、第２のｐｎ接合構造部に向けて貫通する貫通孔であり、その貫通孔に臨む第２のｐｎ接合構造部下面が光反射用穴の内周面の一部をなしている、
    ことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 上記第２のｐｎ接合構造部は、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板の表面に接合させて設けた、発光部からの発光を透過できる半導体材料から構成した第２の伝導形の半導体層とから形成される、請求項１に記載の発光ダイオード。
  3. 上記第２のｐｎ接合構造部は、第１の伝導形の珪素単結晶基板の表面上に設けた、発光部からの発光を透過できる第１の伝導形の半導体材料からなる第１の伝導形の半導体層と、第１の伝導形の半導体層に接合させて設けた、発光部からの発光を透過できる第２の伝導形の半導体材料からなる第２の伝導形の半導体層とから形成される、請求項１に記載の発光ダイオード。
  4. 上記珪素単結晶基板の基板裏面を被覆する金属膜は、珪素単結晶基板についてオーミック接触性を呈する金属材料からなる、請求項１から３の何れか１項に記載の発光ダイオード。
  5. 上記光反射用穴の内周面を被覆する金属膜は、珪素単結晶基板についてオーミック接触性を呈する金属材料からなる、請求項４に記載の発光ダイオード。
  6. 上記光反射用穴の内周面を被覆する金属膜と、珪素単結晶基板の基板裏面を被覆する金属膜とは、異なる金属材料からなる、請求項１から４の何れか１項に記載の発光ダイオード。
  7. 上記光反射用穴の内周面を被覆する金属膜は、珪素単結晶基板の基板裏面を被覆する金属膜に比べて、発光部から出射される光について、より反射率の高い金属材料からなる、請求項６に記載の発光ダイオード。
  8. 請求項１から７の何れか１項に記載の発光ダイオードを用いて構成されている、ことを特徴とする発光ダイオードランプ。
  9. 上記第１の極性のオーミック電極と、金属膜のうちの少なくとも珪素単結晶基板の基板裏面の金属膜とが等電位に接続されている、請求項８に記載の発光ダイオードランプ。
  10. 上記第１の極性のオーミック電極と、金属膜と、発光ダイオードを固定するとともに金属膜と電気的に接触する支持器とが、等電位となるように接続されている、請求項８または９に記載の発光ダイオードランプ。
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