JP4925512B2 - 波長変換型半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換型半導体素子に関し、特に高反射率の電極構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば典型的な窒化ガリウム系（Ｉｎ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｇａ（ｘ）Ｎ：ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）素子を用いた波長変換型半導体素子は、例えば図７に示すように構成されている。
図７において、波長変換型半導体素子１は、ｎ型窒化ガリウム系の白色ＬＥＤとして構成されており、透明基板２の下面に対して順次に積層されたｎ型窒化ガリウム系層３，ｐ型窒化ガリウム系層４と、ｐ型窒化ガリウム系層４の表面に形成されたｐ型窒化ガリウム系用電極５と、このｐ型窒化ガリウム系用電極５からｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４の接合部までを覆うように形成された絶縁膜６と、ｎ型窒化ガリウム系層３の周囲の端面全体を覆うように形成されたｎ型窒化ガリウム系用電極７と、透明基板２の上に備えられた波長変換材８と、を含んでおり、全体がモールド樹脂１ａにより覆われることにより構成されている。
【０００３】
上記透明基板２は、例えばサファイアＣ面基板等の後述する励起光に対して透明となる材料から構成されている。
上記ｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相堆積法）等の成膜方法により形成される。
これらのｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４は、成膜後に、例えば塩素ガスを用いたＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）等のドライエッチング法によって、周囲の端面が図示のように傾斜して形成される。
【０００４】
上記ｐ型窒化ガリウム系用電極５は、ｐ型窒化ガリウム系層４と良好な電気的接触が可能であるＮｉ，Ｒｈ等の金属から構成されている。
上記絶縁膜６は、後述する励起光により劣化しないＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 等の透明材料から構成されている。
【０００５】
上記ｎ型窒化ガリウム系用電極７は、Ｔｉ／Ａｌ積層電極等から構成されている。
さらに、上記ｎ型窒化ガリウム系電極７は、ｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４の端面（チップ端面）から励起光を出射させないように、チップ端面を覆うように形成されている。
これにより、上記ｎ型窒化ガリウム系電極７は、入射する励起光を反射させるようになっている。
【０００６】
上記ｐ型窒化ガリウム系用電極５及びｎ型窒化ガリウム系用電極７は、それぞれＡｕバンプまたはＡｕ−Ｓｎ合金等のボンディングパッド５ａ，７ａ及び共晶電極５ｂ，７ｂを介して、サブマウント９の引出し電極９ａ，９ｂに対して機械的に固定されると共に、電気的に接続される。
尚、上記引出し電極９ａ，９ｂは、例えば一般的には直径２５μｍ程度のＡｕワイヤ９ｃ，９ｄを使用して、ワイヤボンディングにより外部に引き出されるようになっている。
【０００７】
上記波長変換材８は、例えばＹＡＧ系蛍光体やＺｎＳ系蛍光体とを組み合わせることにより構成されており、励起光が入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっている。
【０００８】
このような構成の波長変換型半導体素子１によれば、サブマウント９の引出し電極９ａ，９ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４の間の接合部にて、励起光が発生して、この励起光が、ｐ型窒化ガリウム系用電極５及びｎ型窒化ガリウム系用電極７の内面により反射され、ｎ型窒化ガリウム系層３の上面から透明基板２に入射する。
この透明基板２を透過した励起光は、波長変換材８に入射することになり、波長変換材８は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
このようにして、波長変換型半導体素子１は、例えば白色光を出射するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構成の波長変換型半導体素子１においては、波長変換材８から出射される光の光量は、波長変換材８に入射する励起光の光量に依存する。
従って、波長変換型半導体素子１の発光効率を高めるためには、励起光の光量を増大させるようにすればよい。
このため、ｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４の周囲の端面を図示のように例えば４５度±５度程度の傾斜角で傾斜させることにより、ｎ型窒化ガリウム系用電極７で反射された励起光を波長変換材８に向かって導くようにしている。
【００１０】
しかしながら、上述したｎ型窒化ガリウム系用電極７は、励起光に対して比較的低い反射率を有していることから、ｎ型窒化ガリウム系用電極７に入射した光は、その一部が反射されずにｎ型窒化ガリウム系用電極７で吸収されることになる。このため、波長変換材８に入射する励起光の光量が低くなってしまい、波長変換型半導体素子１の発光効率が低くなってしまい、デバイスの特性を十分に引き出すことができないという問題があった。
また、ｎ型窒化ガリウム系用電極７とｎ型窒化ガリウム系層３との間の接触抵抗が比較的大きいことから、ジュール熱によって温度が増加してしまうことにより、電子デバイスの特性が低下してしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、以上の点から、反射面として機能する電極の反射率を高めると共に、接触抵抗を低減するようにした、波長変換型半導体素子を提供することを目的としている。
なお、以下において、最も使われる波長変換型半導体素子で説明する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明の第一の構成によれば、ｐｎ接合を構成する下方のｐ型層及び上方のｎ型層と、ｐ型層の下面に備えられ且つｐ型層に電気的に接触したｐｎ接合からの励起光を外部に透過させない第一の電極と、ｐ型層及びｎ型層の端面を包囲し且つｎ型層のみに電気的に接触した第二の電極と、を含む半導体素子であって、上記第二の電極が、ｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて反射率の高い材料から成る厚さ１０ｎｍ以上の高反射率金属層と、導電性透明酸化物層と、から構成されていることを特徴とする、半導体素子により、達成される。
【００１３】
上記目的は、本発明の第二の構成によれば、ｐｎ接合を構成する下方のｐ型層及び上方のｎ型層と、これらの上方に配設された波長変換材と、ｐ型層の下面に備えられ且つｐ型層に電気的に接触したｐｎ接合からの励起光を外部に透過させない第一の電極と、ｐ型層及びｎ型層の端面を包囲し且つｎ型層のみに電気的に接触した第二の電極と、を含む波長変換型半導体素子であって、上記第二の電極が、ｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて反射率の高い材料から成る厚さ１０ｎｍ以上の高反射率金属層と、導電性透明酸化物層と、から構成されていることを特徴とする、波長変換型半導体素子により、達成される。
【００１４】
上記目的は、本発明の第三の構成によれば、ｐｎ接合を構成する下方のｐ型窒化ガリウム系層（Ｉｎ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｇａ（ｘ）Ｎ：ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）及び上方のｎ型窒化ガリウム系層と、これらの上方に配設された波長変換材と、ｐ型窒化ガリウム系層の下面に備えられ且つｐ型窒化ガリウム系層に電気的に接触したｐｎ接合からの励起光を外部に透過させないｐ型窒化ガリウム用の第一の電極と、ｐ型窒化ガリウム系層の端面及びｐｎ接合の領域の端面を包囲し且つｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて透明である絶縁膜と、ｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層の端面を包囲し且つｎ型窒化ガリウム系層のみに電気的に接触したｎ型窒化ガリウム系用の第二の電極と、を含む波長変換型半導体素子であって、上記第二の電極が、ｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて反射率の高い材料から成る厚さ１０ｎｍ以上の高反射率金属層と、導電性透明酸化物層と、から構成されていることを特徴とする、波長変換型半導体素子により、達成される。
【００１５】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、ｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層の周囲の端面が、垂直または下方に向かって傾斜している。
【００１６】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記導電性透明酸化物層が、厚さ５μｍ以下である。
【００１７】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記導電性透明酸化物層が、酸化亜鉛，酸化インジウム，酸化スズまたはこれらの酸化物が主材料となる化合物から構成されている。
【００１８】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記導電性透明酸化物層の膜厚ｄが、導電性酸化物層の屈折率をｎ，励起光の波長をλとしたとき、ｄ＝ｍλ／ｎ（ただしｍは整数）である。
【００１９】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記高反射率金属層が、Ａｇ，Ｒｈまたはこれらの金属を含む合金膜または積層膜から構成されている。
【００２０】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記導電性透明酸化物層及び高反射率金属層の間に、金属単層膜，積層膜，合金膜または導電性透明酸化物膜から成る中間電極層を備えている。
【００２１】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、波長変換型半導体素子が白色ＬＥＤであって、上記第一の電極が、ｐ型窒化ガリウム系用オーミック電極である。
【００２２】
上記第二の構成によれば、第一の電極及び第二の電極間に駆動電圧を印加することにより、ｎ型層及びｐ型層の間のｐｎ接合にて、励起光が発生する。そして、この励起光の一部が、第一の電極及び第二の電極の内面により反射され、また他の一部が直接に、ｎ型層の上面から波長変換材に入射する。
そして、励起光が波長変換材に入射することになり、波長変換材は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００２３】
この場合、第二の電極が、高反射率金属層を含んでいることにより、励起光の第二の電極による反射光量が増大することになり、波長変換材への励起光の入射光量が増大することになる。
従って、波長変換材から出射する光量も増大するので、波長変換型半導体素子の発光効率が高められることになる。
尚、高反射率金属層が厚さ１０ｎｍ以下の場合には、反射率が低下することになり、波長変換材への励起光の入射光量も低下してしまう。
【００２４】
さらに、第二の電極が、導電性透明酸化物層を含んでいることにより、この導電性透明酸化物層がｎ型窒化ガリウム系層と良好な電気的接触を備えているので、第二の電極の接触抵抗率が低減されることになり、第一の電極及び第二の電極間に印加する駆動電圧が低くて済み、省電力型の半導体素子が得られることになると共に、発熱量が低下するので、熱による半導体素子の特性低下が抑制され得ることになる。
また、導電性透明酸化物層が透明であることから、励起光を吸収するようなことなく、高い透過率で励起光を透過させるので、第二の電極による反射効率が向上することになる。
【００２５】
上記第三の構成によれば、第一の電極及び第二の電極間に駆動電圧を印加することにより、ｎ型窒化ガリウム系層及びｐ型窒化ガリウム系層の間のｐｎ接合にて、励起光が発生する。そして、この励起光の一部が、第一の電極及び第二の電極の内面により反射され、また他の一部が直接に、ｎ型窒化ガリウム系層の上面から波長変換材に入射する。
そして、励起光が波長変換材に入射することになり、波長変換材は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００２６】
この場合、第二の電極が、高反射率金属層を含んでいることにより、励起光の第二の電極による反射光量が増大することになり、波長変換材への励起光の入射光量が増大することになる。
従って、波長変換材から出射する光量も増大するので、ｎ型窒化ガリウム系の波長変換型半導体素子の発光効率が高められることになる。
尚、高反射率金属層が厚さ１０ｎｍ以下の場合には、反射率が低下することになり、波長変換材への励起光の入射光量も低下してしまう。
【００２７】
さらに、第二の電極が、導電性透明酸化物層を含んでいることにより、この導電性透明酸化物層がｎ型窒化ガリウム系層と良好な電気的接触を備えているので、第二の電極の接触抵抗率が低減されることになり、第一の電極及び第二の電極間に印加する駆動電圧が低くて済み、省電力型の半導体素子が得られることになると共に、発熱量が低下するので、熱による半導体素子の特性低下が抑制され得ることになり、さらに第二の電極のｎ型窒化ガリウム系層からの剥離が抑制されるので、第二の電極の安定性が向上することになる。
また、導電性透明酸化物層が透明であることから、励起光を吸収するようなことなく、高い透過率で励起光を透過させるので、第二の電極による反射効率が向上することになる。
【００２８】
ｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層の周囲の端面が、垂直または下方に向かって傾斜している場合には、第二の電極のｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層に対する接触面積が増大することになり、第二の電極の密着性が向上することになると共に、第二の電極で反射される励起光が上方に向かって反射されることになり、励起光の取出し効率が向上することになる。
【００２９】
上記導電性透明酸化物層が、厚さ５μｍ以下である場合には、導電性透明酸化物層による励起光の吸収がより一層抑制されることにより、第二の電極即ち高反射率金属層による励起光の反射効率が向上することになる。
【００３０】
上記導電性透明酸化物層が、酸化亜鉛，酸化インジウム，酸化スズまたはこれらの酸化物が主材料となる化合物から構成されている場合には、上述した接触抵抗率が低いことから、第一の電極及び第二の電極間に印加する駆動電圧が低くて済む。
【００３１】
上記導電性透明酸化物層の膜厚ｄが、導電性酸化物層の屈折率をｎ，励起光の波長をλとしたとき、ｄ＝ｍλ／ｎ（ただしｍは整数）である場合には、導電性透明酸化物層と高反射率金属層との間の干渉が回避されることになり、高反射率金属層による励起光の反射率が最大となる。
【００３２】
上記高反射率金属層が、Ａｇ，Ｒｈまたはこれらの金属を含む合金膜または積層膜から構成されている場合には、これらの材料が何れも波長３７０ｎｍ以上で５０％以上の反射率を有しているので、高い反射率の第二の電極が得られることになる。
【００３３】
上記導電性透明酸化物層及び高反射率金属層の間に、金属単層膜，積層膜，合金膜または導電性透明酸化物膜から成る中間電極層を備えている場合には、導電性透明酸化物層及び高反射率金属層の間の電極剥離が抑制されることになる。
【００３４】
波長変換型半導体素子が白色ＬＥＤであって、上記第一の電極が、ｐ型窒化ガリウム系用オーミック電極である場合には、さらに第一の電極のｐ型窒化ガリウム系層に対する接触抵抗率が低減されることになり、より明るい白色光を取り出すことができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図１乃至図６を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００３６】
図１は、本発明による波長変換型半導体素子の一実施形態の構成を示している。
図１において、波長変換型半導体素子１０は、ｎ型窒化ガリウム系の波長変換型半導体素子としての白色ＬＥＤであって、透明基板１１の下面に対して順次に積層されたｎ型窒化ガリウム系層（Ｉｎ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｇａ（ｘ）Ｎ：ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）１２，ｐ型窒化ガリウム系層１３と、ｐ型窒化ガリウム系層１３の表面に形成されたｐ型窒化ガリウム系用電極１４と、このｐ型窒化ガリウム系用電極１４からｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の接合部までを覆うように形成された絶縁膜１５と、ｎ型窒化ガリウム系層１２の周囲の端面全体を覆うように形成されたｎ型窒化ガリウム系用電極１６と、透明基板１１の上に備えられた波長変換材１７と、を含んでおり、全体がモールド樹脂１８により覆われることにより構成されている。
【００３７】
上記透明基板１１は、例えばサファイアＣ面基板等の後述する励起光に対して透明となる材料から構成されている。
上記ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相堆積法）等の成膜方法により透明基板１１の下面に対して順次に形成される。
【００３８】
これらのｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３は、成膜後に、例えば塩素ガスを用いたＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）等のドライエッチング法によって、周囲の端面が図示のように傾斜して形成される。
これにより、絶縁膜１５のｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３に対する接触面積が増大するので、絶縁膜１５の密着性が良好になり、絶縁膜１５の形成時の信頼性が向上すると共に、絶縁膜１５の剥離が抑制される。従って、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の間の電気的絶縁性の信頼性が向上し、所謂励起光源素子の歩留まりが向上することになる。
さらに、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の周囲の端面の傾斜によって、後述する第二の電極１６によって励起光が上方の透明基板に向かって反射されることになり、波長変換材１７への光入射効率が向上することになる。
尚、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の周囲の端面の傾斜角度は、絶縁膜１５の密着性の観点からは９０度以下であればよく、また反射効率の観点からは好ましくは４５度±５度に選定される。
【００３９】
上記ｐ型窒化ガリウム系用電極１４は、ｐ型窒化ガリウム系層１３と良好な電気的接触が可能であるＮｉ，Ｒｈ等の金属から構成されている。
上記絶縁膜１５は、後述する励起光により劣化しないＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 等の透明材料から構成されている。
【００４０】
上記ｎ型窒化ガリウム系用電極１６は、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の端面（チップ端面）から励起光を出射させないように、チップ端面を覆うように形成されている。
これにより、上記ｎ型窒化ガリウム系電極１６は、入射する励起光を反射させるようになっている。
【００４１】
上記ｐ型窒化ガリウム系用電極１４及びｎ型窒化ガリウム系用電極１６は、それぞれＡｕバンプまたはＴｉ及びＡｕから成るマウント用ボンディングパッド１４ａ，１６ｃ及びＡｕ−Ｓｎ合金から成る共晶電極１４ｂ，１６ｄを介して、サブマウント１９の引出し電極１９ａ，１９ｂに対して機械的に固定されると共に、電気的に接続される。
尚、上記引出し電極１９ａ，１９ｂは、例えば一般的には直径２５μｍ程度のＡｕワイヤ１９ｃ，１９ｄを使用して、ワイヤボンディングにより外部に引き出されるようになっている。
【００４２】
上記波長変換材１７は、例えばＹＡＧ系蛍光体やＺｎＳ系蛍光体とを組み合わせることにより構成されており、励起光が入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっている。
【００４３】
以上の構成は、図７に示した従来の波長変換型半導体素子１とほぼ同様の構成であるが、本発明実施形態による波長変換型半導体素子１０においては、上記第二の電極１６が、図２に示すように構成されている点で異なる構成になっている。
即ち、図２において、第二の電極１６は、ｎ窒化ガリウム系用電極であって、高反射率金属層１６ａと、導電性透明酸化物層１６ｂと、から構成されている。
【００４４】
上記高反射率金属層１６ａは、ｐｎ接合からの励起光の波長である波長３７０ｎｍ以上にて例えば５０％以上の高い反射率を有する材料、例えばＡｇ，Ｒｈまたはこれらの金属を含む合金膜または積層膜から構成されている。
尚、Ａｌは、同様に高い反射率を有するが、導電性透明酸化物層１６ｂ上にＡｌ電極を形成して４００℃以上に加熱すると接触抵抗が大きく上昇することが確認されているので、高反射率金属層１６ａの材料としては不適である。
また、高反射率金属層１６ａの材料としては、上記高反射率の金属Ａｇ，Ｒｈと高反射率でない他の金属、例えばＰｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｎｉ等とから成る合金層や積層膜であってもよい。
さらに、上記高反射率金属層１６ａは、励起光が高反射率金属層１６ａを透過せずに反射されるように、その厚さが１０ｎｍ以上に、好ましくは十分な反射光を得るために１００ｎｍ以上に選定されている。
【００４５】
また、導電性透明酸化物層１６ｂは、一般的に知られている導電性透明酸化膜であればよく、例えば酸化亜鉛，酸化インジウム，酸化スズまたはこれらの酸化物が主材料となる化合物、例えばＩｎ−Ｓｎ−Ｏ等から構成されている。
導電性透明酸化物層１６ｂは、好ましくはイオンプレーティング法，スパッタ法，電子線加熱蒸着法，レーザーアブレーション法等により形成される。
特に、アーク放電を用いたイオンプレーティング法によれば、品質の良い膜を室温で作製できるため、容易なリフトオフパターニングが可能となる。
【００４６】
さらに、導電性透明酸化物層１６ｂは、好ましくは、高反射金属層１６ａによる反射効率を高めるために、即ち導電性透明酸化物層１６ｂ自体の光透過率を高めるために、その厚さが５μｍ以下に選定されており、特に６０％以上の高反射率を得るためには、その厚さが１μｍ以下に選定されている。
ところで、導電性透明酸化物層１６ｂの厚さが１μｍ以下の場合、励起光の波長程度の膜厚になることから、導電性透明酸化物層１６ｂ内における励起光の干渉により、第二の電極１６の反射率が低下してしまう。これを回避するためには、上記干渉によって反射率が最大となるように、膜厚ｄを設定すればよい。
この反射率最大となる膜厚ｄは、導電性透明酸化物層１６ｂの屈折率をｎ，励起光の波長をλとしたとき、
［数式１］ ｄ＝ｍλ／ｎ で与えられる。
【００４７】
これに対して、ｎ型窒化ガリウム系層１２と高反射率金属薄膜層１６ａの何れか一方または双方に、導電性透明酸化物層１６ｂにおける励起光の干渉を抑制する構造を付与するようにしてもよい。
これは、具体的には、ｎ型窒化ガリウム系層１２と高反射率金属薄膜層１６ａの少なくとも一方に、大きさが１ｎｍ乃至１μｍ程度の凹凸形状を形成することにより得られる。
【００４８】
さらに、上記高反射率金属層１６ａと導電性透明酸化物層１６ｂとの間に、電極剥離を抑制するために、好ましくは中間電極層（図示せず）が形成される。
この中間電極層は、高反射率金属層１６ａの反射効率を損なわない材料、例えばＮｉ，Ｔｉ等の金属単層膜，積層膜，合金膜または導電性透明酸化物膜から構成されている。
【００４９】
これらの高反射率金属層１６ａ，導電性透明酸化物層１６ｂ及び中間電極層は、好ましくは電子線加熱蒸着またはスパッタ法により形成されると共に、電極剥離防止や電気的特性の改善のために、形成後に合金化処理し、あるいは合金化処理した積層膜として形成されるようにしてもよい。
さらに、高反射率金属層１６ａ，導電性透明酸化物層１６ｂ及び中間電極層のパターニングは、一般的な方法、例えばエッチング法やリフトオフ法により行なわれる。
【００５０】
本発明実施形態による波長変換型半導体素子１０は、以上のように構成されており、サブマウント１９の引出し電極１９ａ，１９ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の間のｐｎ接合にて、励起光が発生して、この励起光が、第一の電極１４及び第二の電極１６の内面により反射され、ｎ型窒化ガリウム系層１２の上面から透明基板１１に入射する。
この透明基板１１を透過した励起光は、波長変換材１７に入射することになり、波長変換材１７は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
このようにして、波長変換型半導体素子１０は、例えば白色光を出射するようになっている。
【００５１】
この場合、上記第二の電極１６が、例えば反射率５０％以上である高反射率金属層１６ａを含んでいることにより、励起光の第二の電極１６による反射光量が増大することになり、波長変換材１７への励起光の入射光量が増大することになる。
従って、波長変換材１７から出射する光量も増大するので、ｎ型窒化ガリウム系の波長変換型半導体素子１０の発光効率が高められることになる。
【００５２】
さらに、第二の電極１６が、導電性透明酸化物層１６ｂを含んでいることにより、この導電性透明酸化物層１６ｂがｎ型窒化ガリウム系層１２と良好な電気的接触を備えていることから、第二の電極１２のｎ型窒化ガリウム系層１２に対する接触抵抗率が低減されることになる。従って、第一の電極１４及び第二の電極１６間に印加する駆動電圧が低くて済み、省電力型の半導体素子が得られると共に、発熱量の低下によって、熱による半導体素子の特性低下が抑制され得る。
【００５３】
また、ｐ型窒化ガリウム系層１３及びｎ型窒化ガリウム系層１２の周囲の端面が、下方に向かって傾斜していることにより、第二の電極１６のｐ型窒化ガリウム系層１３及びｎ型窒化ガリウム系層１２そして絶縁膜１５に対する第二の電極１６の接触面積が増大するので、第二の電極１６の密着性が向上する共に、第二の電極で反射される励起光が上方に向かって反射されるので、励起光の取出し効率が向上することになる。
【００５４】
ここで、上記第二の電極１６の各種特性を検証する。
この検証のために、図３に示すサンプル電極２０を作製した。
このサンプル電極２０は、例えばｎ〜５×１０18／ｃｍ3 のキャリア密度を有するｎ型窒化ガリウム系層２１の上に、電子線加熱蒸着装置にて連続成膜することにより、上述した第二の電極１６と同じ構成の電極２２、即ち導電性透明酸化物層２３及び高反射率金属層２４を順次に形成し、リフトオフ法によりパターン形成することにより、構成され、加熱処理は行なわなかった。
導電性透明酸化物層２３は、上述した導電性透明酸化物層１６ｂと同様に構成されており、例えば膜厚１５０ｎｍの酸化亜鉛膜から構成されている。
また、高反射率金属層２４は、上述した高反射率金属層１６ａと同様に構成されており、例えば膜厚０．３ｎｍのＮｉ膜及び膜厚３００ｎｍのＡｇ膜を積層させることにより構成されている。
尚、比較のために、同じｎ型窒化ガリウム系層２１上に従来一般的に使用されている膜厚２５ｎｍのＴｉ膜及び膜厚１μｍを形成したリファレンス電極も作製し、電極のパターニング後に、窒素雰囲気中にて５００℃で２０秒間加熱処理を行なった。
尚、上記膜厚は、何れも成膜時の膜厚モニタの値である。
ここで、サンプル電極２０及びリファレンス電極の電極パターンは、図４に示すように、円環状に形成されている。
【００５５】
このようなサンプル電極２０及びリファレンス電極に対して、それぞれ駆動電源２５により駆動電圧を印加して、その電流−電圧特性を測定したところ、図５のグラフに示すような特性曲線が得られた。この結果、サンプル電極２０及びリファレンス電極双方の電流−電圧特性は、ほぼ等しいことが確認された。
【００５６】
次に、サンプル電極２０及びリファレンス電極の反射率を測定した。
この反射率の測定は、双方の電極を厚さ１ｍｍの石英基板上にてパターニングせずに形成し、石英基板側から光を入射させることにより、その反射率を測定した（尚、この場合、双方の電極は、前述した合金化処理は行なっていない。）ところ、図６のグラフに示すような反射スペクトル特性が得られた。この結果、リファレンス電極では、波長３７０ｎｍ以上で反射率が４０％であるのに対して、サンプル電極２０では、波長３７０ｎｍ以上で約７０％となり、５０％以上の反射率であることが確認された。
【００５７】
また、上記波長変換型半導体素子１０及び図７に示した従来の波長変換型半導体素子１として、それぞれ白色ＬＥＤを作製して、その相対全光束を比較した。
各白色ＬＥＤとしては、それぞれサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法によりｐ型及びｎ型の窒化ガリウム系層を順次に形成して、所謂励起光源素子としての窒化ガリウム系紫外ＬＥＤを作製し、塩素系ガスによるＲＩＥ法により、ｐ型及びｎ型の窒化ガリウム系層の表面から約４００ｎｍ程度エッチングして、ｎ型窒化ガリウム系層を露出させた。
第一の電極１４として、約３００ｎｍのＲｈ膜を形成すると共に、絶縁膜１５として、約４００ｎｍのＳｉＯ2 層を形成し、その後、チップ端面に、第二の電極１６として、上記サンプル電極２０またはリファレンス電極と同様の構成の電極を形成し、Ｔｉ及びＡｕから成るマウント用ボンディングパッド及びＡｕ−Ｓｎ合金から成る共晶電極を形成した。
ここで、すべての電極及び絶縁膜は電子線加熱蒸着法により形成し、リフトオフ法によるパターニングを行なった。
最後に、すべての電極を形成した状態で、所謂スクライブ法によりチップ毎に分離して、個々のチップをサブマウントにダイボンディングして、紫外光を反射し且つ可視光を透過させる酸化物絶縁膜と蛍光体から成る波長変換材をサファイア基板上に設置し、モールド樹脂により封止することにより、白色ＬＥＤを作製した。
【００５８】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換型半導体素子としての白色ＬＥＤと、従来の白色ＬＥＤについて、ＤＣ２０ｍＡの駆動電流で駆動して得られた白色光を積分球にて全光束測定を行なったところ、従来の白色ＬＥＤの全光束を１００としたとき、本発明実施形態による白色ＬＥＤの全光束は１７２となり、相対全光束が大幅に増加することが確認された。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、第二の電極が、高反射率金属層を含んでいることにより、励起光の第二の電極による反射光量が増大することになり、波長変換材への励起光の入射光量が増大することになる。
従って、波長変換材から出射する光量も増大するので、波長変換型半導体素子の発光効率が高められることになる。
【００６０】
さらに、第二の電極が、導電性透明酸化物層を含んでいることにより、この導電性透明酸化物層がｎ型窒化ガリウム系層と良好な電気的接触を備えているので、第二の電極の接触抵抗率が低減されることになり、第一の電極及び第二の電極間に印加する駆動電圧が低くて済み、省電力型の半導体素子が得られることになると共に、発熱量が低下するので、熱による半導体素子の特性低下が抑制され得ることになる。
このようにして、本発明によれば、反射面として機能する電極の反射率を高めると共に、接触抵抗を低減するようにした、極めて優れた波長変換型半導体素子が提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長変換型半導体素子の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】図１の波長変換型半導体素子における第二の電極の構成を示す部分拡大断面図である。
【図３】図１の波長変換型半導体素子における第二の電極の検証を行なうためのサンプル電極の構成を示す概略断面図である。
【図４】図３のサンプル電極の電極パターンを示す概略平面図である。
【図５】図３のサンプル電極及びリファレンス電極の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図６】図３のサンプル電極及びリファレンス電極の反射スペクトル特性を示すグラフである。
【図７】従来の波長変換型半導体素子の一例の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０ 波長変換型半導体素子
１１ 透明基板
１２ ｎ型窒化ガリウム系層
１３ ｐ型窒化ガリウム系層
１４ ｐ型窒化ガリウム系用電極
１４ａ ボンディングパッド
１４ｂ 共晶電極
１５ 絶縁膜
１６ ｎ型窒化ガリウム系用電極
１６ａ 高反射率金属層
１６ｂ 導電性透明酸化物層
１６ｃ ボンディングパッド
１６ｄ 共晶電極
１７ 波長変換材
１８ モールド樹脂
１９ サブマウント
２０ サンプル電極
２１ ｎ型窒化ガリウム系層２１
２２ 電極
２３ 導電性透明酸化物層
２４ 高反射率金属層
２５ 駆動電源
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長変換型半導体素子に関し、特に高反射率の電極構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば典型的な窒化ガリウム系（Ｉｎ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｇａ（ｘ）Ｎ：ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）素子を用いた波長変換型半導体素子は、例えば図７に示すように構成されている。
図７において、波長変換型半導体素子１は、ｎ型窒化ガリウム系の白色ＬＥＤとして構成されており、透明基板２の下面に対して順次に積層されたｎ型窒化ガリウム系層３，ｐ型窒化ガリウム系層４と、ｐ型窒化ガリウム系層４の表面に形成されたｐ型窒化ガリウム系用電極５と、このｐ型窒化ガリウム系用電極５からｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４の接合部までを覆うように形成された絶縁膜６と、ｎ型窒化ガリウム系層３の周囲の端面全体を覆うように形成されたｎ型窒化ガリウム系用電極７と、透明基板２の上に備えられた波長変換材８と、を含んでおり、全体がモールド樹脂１ａにより覆われることにより構成されている。
【０００３】
上記透明基板２は、例えばサファイアＣ面基板等の後述する励起光に対して透明となる材料から構成されている。
上記ｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相堆積法）等の成膜方法により形成される。
これらのｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４は、成膜後に、例えば塩素ガスを用いたＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）等のドライエッチング法によって、周囲の端面が図示のように傾斜して形成される。
【０００４】
上記ｐ型窒化ガリウム系用電極５は、ｐ型窒化ガリウム系層４と良好な電気的接触が可能であるＮｉ，Ｒｈ等の金属から構成されている。
上記絶縁膜６は、後述する励起光により劣化しないＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 等の透明材料から構成されている。
【０００５】
上記ｎ型窒化ガリウム系用電極７は、Ｔｉ／Ａｌ積層電極等から構成されている。
さらに、上記ｎ型窒化ガリウム系電極７は、ｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４の端面（チップ端面）から励起光を出射させないように、チップ端面を覆うように形成されている。
これにより、上記ｎ型窒化ガリウム系電極７は、入射する励起光を反射させるようになっている。
【０００６】
上記ｐ型窒化ガリウム系用電極５及びｎ型窒化ガリウム系用電極７は、それぞれＡｕバンプまたはＡｕ−Ｓｎ合金等のボンディングパッド５ａ，７ａ及び共晶電極５ｂ，７ｂを介して、サブマウント９の引出し電極９ａ，９ｂに対して機械的に固定されると共に、電気的に接続される。
尚、上記引出し電極９ａ，９ｂは、例えば一般的には直径２５μｍ程度のＡｕワイヤ９ｃ，９ｄを使用して、ワイヤボンディングにより外部に引き出されるようになっている。
【０００７】
上記波長変換材８は、例えばＹＡＧ系蛍光体やＺｎＳ系蛍光体とを組み合わせることにより構成されており、励起光が入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっている。
【０００８】
このような構成の波長変換型半導体素子１によれば、サブマウント９の引出し電極９ａ，９ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４の間の接合部にて、励起光が発生して、この励起光が、ｐ型窒化ガリウム系用電極５及びｎ型窒化ガリウム系用電極７の内面により反射され、ｎ型窒化ガリウム系層３の上面から透明基板２に入射する。
この透明基板２を透過した励起光は、波長変換材８に入射することになり、波長変換材８は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
このようにして、波長変換型半導体素子１は、例えば白色光を出射するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構成の波長変換型半導体素子１においては、波長変換材８から出射される光の光量は、波長変換材８に入射する励起光の光量に依存する。
従って、波長変換型半導体素子１の発光効率を高めるためには、励起光の光量を増大させるようにすればよい。
このため、ｎ型窒化ガリウム系層３及びｐ型窒化ガリウム系層４の周囲の端面を図示のように例えば４５度±５度程度の傾斜角で傾斜させることにより、ｎ型窒化ガリウム系用電極７で反射された励起光を波長変換材８に向かって導くようにしている。
【００１０】
しかしながら、上述したｎ型窒化ガリウム系用電極７は、励起光に対して比較的低い反射率を有していることから、ｎ型窒化ガリウム系用電極７に入射した光は、その一部が反射されずにｎ型窒化ガリウム系用電極７で吸収されることになる。このため、波長変換材８に入射する励起光の光量が低くなってしまい、波長変換型半導体素子１の発光効率が低くなってしまい、デバイスの特性を十分に引き出すことができないという問題があった。
また、ｎ型窒化ガリウム系用電極７とｎ型窒化ガリウム系層３との間の接触抵抗が比較的大きいことから、ジュール熱によって温度が増加してしまうことにより、電子デバイスの特性が低下してしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、以上の点から、反射面として機能する電極の反射率を高めると共に、接触抵抗を低減するようにした、波長変換型半導体素子を提供することを目的としている。
なお、以下において、最も使われる波長変換型半導体素子で説明する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、本発明の第一の構成によれば、ｐｎ接合を構成する下方のｐ型層及び上方のｎ型層と、ｐ型層の下面に備えられ且つｐ型層に電気的に接触したｐｎ接合からの励起光を外部に透過させない第一の電極と、ｐ型層及びｎ型層の端面を包囲し且つｎ型層のみに電気的に接触した第二の電極と、を含む半導体素子であって、上記第二の電極が、ｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて反射率の高い材料から成る厚さ１０ｎｍ以上の高反射率金属層と、導電性透明酸化物層と、から構成されていることを特徴とする、半導体素子により、達成される。
【００１３】
上記目的は、本発明の第二の構成によれば、ｐｎ接合を構成する下方のｐ型層及び上方のｎ型層と、これらの上方に配設された波長変換材と、ｐ型層の下面に備えられ且つｐ型層に電気的に接触したｐｎ接合からの励起光を外部に透過させない第一の電極と、ｐ型層及びｎ型層の端面を包囲し且つｎ型層のみに電気的に接触した第二の電極と、を含む波長変換型半導体素子であって、上記第二の電極が、ｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて反射率の高い材料から成る厚さ１０ｎｍ以上の高反射率金属層と、導電性透明酸化物層と、から構成されていることを特徴とする、波長変換型半導体素子により、達成される。
【００１４】
上記目的は、本発明の第三の構成によれば、ｐｎ接合を構成する下方のｐ型窒化ガリウム系層（Ｉｎ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｇａ（ｘ）Ｎ：ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）及び上方のｎ型窒化ガリウム系層と、これらの上方に配設された波長変換材と、ｐ型窒化ガリウム系層の下面に備えられ且つｐ型窒化ガリウム系層に電気的に接触したｐｎ接合からの励起光を外部に透過させないｐ型窒化ガリウム用の第一の電極と、ｐ型窒化ガリウム系層の端面及びｐｎ接合の領域の端面を包囲し且つｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて透明である絶縁膜と、ｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層の端面を包囲し且つｎ型窒化ガリウム系層のみに電気的に接触したｎ型窒化ガリウム系用の第二の電極と、を含む波長変換型半導体素子であって、上記第二の電極が、ｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて反射率の高い材料から成る厚さ１０ｎｍ以上の高反射率金属層と、導電性透明酸化物層と、から構成されていることを特徴とする、波長変換型半導体素子により、達成される。
【００１５】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、ｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層の周囲の端面が、垂直または下方に向かって傾斜している。
【００１６】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記導電性透明酸化物層が、厚さ５μｍ以下である。
【００１７】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記導電性透明酸化物層が、酸化亜鉛，酸化インジウム，酸化スズまたはこれらの酸化物が主材料となる化合物から構成されている。
【００１８】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記導電性透明酸化物層の膜厚ｄが、導電性酸化物層の屈折率をｎ，励起光の波長をλとしたとき、ｄ＝ｍλ／ｎ（ただしｍは整数）である。
【００１９】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記高反射率金属層が、Ａｇ，Ｒｈまたはこれらの金属を含む合金膜または積層膜から構成されている。
【００２０】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、上記導電性透明酸化物層及び高反射率金属層の間に、金属単層膜，積層膜，合金膜または導電性透明酸化物膜から成る中間電極層を備えている。
【００２１】
本発明による波長変換型半導体素子は、好ましくは、波長変換型半導体素子が白色ＬＥＤであって、上記第一の電極が、ｐ型窒化ガリウム系用オーミック電極である。
【００２２】
上記第二の構成によれば、第一の電極及び第二の電極間に駆動電圧を印加することにより、ｎ型層及びｐ型層の間のｐｎ接合にて、励起光が発生する。そして、この励起光の一部が、第一の電極及び第二の電極の内面により反射され、また他の一部が直接に、ｎ型層の上面から波長変換材に入射する。
そして、励起光が波長変換材に入射することになり、波長変換材は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００２３】
この場合、第二の電極が、高反射率金属層を含んでいることにより、励起光の第二の電極による反射光量が増大することになり、波長変換材への励起光の入射光量が増大することになる。
従って、波長変換材から出射する光量も増大するので、波長変換型半導体素子の発光効率が高められることになる。
尚、高反射率金属層が厚さ１０ｎｍ以下の場合には、反射率が低下することになり、波長変換材への励起光の入射光量も低下してしまう。
【００２４】
さらに、第二の電極が、導電性透明酸化物層を含んでいることにより、この導電性透明酸化物層がｎ型窒化ガリウム系層と良好な電気的接触を備えているので、第二の電極の接触抵抗率が低減されることになり、第一の電極及び第二の電極間に印加する駆動電圧が低くて済み、省電力型の半導体素子が得られることになると共に、発熱量が低下するので、熱による半導体素子の特性低下が抑制され得ることになる。
また、導電性透明酸化物層が透明であることから、励起光を吸収するようなことなく、高い透過率で励起光を透過させるので、第二の電極による反射効率が向上することになる。
【００２５】
上記第三の構成によれば、第一の電極及び第二の電極間に駆動電圧を印加することにより、ｎ型窒化ガリウム系層及びｐ型窒化ガリウム系層の間のｐｎ接合にて、励起光が発生する。そして、この励起光の一部が、第一の電極及び第二の電極の内面により反射され、また他の一部が直接に、ｎ型窒化ガリウム系層の上面から波長変換材に入射する。
そして、励起光が波長変換材に入射することになり、波長変換材は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
【００２６】
この場合、第二の電極が、高反射率金属層を含んでいることにより、励起光の第二の電極による反射光量が増大することになり、波長変換材への励起光の入射光量が増大することになる。
従って、波長変換材から出射する光量も増大するので、ｎ型窒化ガリウム系の波長変換型半導体素子の発光効率が高められることになる。
尚、高反射率金属層が厚さ１０ｎｍ以下の場合には、反射率が低下することになり、波長変換材への励起光の入射光量も低下してしまう。
【００２７】
さらに、第二の電極が、導電性透明酸化物層を含んでいることにより、この導電性透明酸化物層がｎ型窒化ガリウム系層と良好な電気的接触を備えているので、第二の電極の接触抵抗率が低減されることになり、第一の電極及び第二の電極間に印加する駆動電圧が低くて済み、省電力型の半導体素子が得られることになると共に、発熱量が低下するので、熱による半導体素子の特性低下が抑制され得ることになり、さらに第二の電極のｎ型窒化ガリウム系層からの剥離が抑制されるので、第二の電極の安定性が向上することになる。
また、導電性透明酸化物層が透明であることから、励起光を吸収するようなことなく、高い透過率で励起光を透過させるので、第二の電極による反射効率が向上することになる。
【００２８】
ｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層の周囲の端面が、垂直または下方に向かって傾斜している場合には、第二の電極のｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層に対する接触面積が増大することになり、第二の電極の密着性が向上することになると共に、第二の電極で反射される励起光が上方に向かって反射されることになり、励起光の取出し効率が向上することになる。
【００２９】
上記導電性透明酸化物層が、厚さ５μｍ以下である場合には、導電性透明酸化物層による励起光の吸収がより一層抑制されることにより、第二の電極即ち高反射率金属層による励起光の反射効率が向上することになる。
【００３０】
上記導電性透明酸化物層が、酸化亜鉛，酸化インジウム，酸化スズまたはこれらの酸化物が主材料となる化合物から構成されている場合には、上述した接触抵抗率が低いことから、第一の電極及び第二の電極間に印加する駆動電圧が低くて済む。
【００３１】
上記導電性透明酸化物層の膜厚ｄが、導電性酸化物層の屈折率をｎ，励起光の波長をλとしたとき、ｄ＝ｍλ／ｎ（ただしｍは整数）である場合には、導電性透明酸化物層と高反射率金属層との間の干渉が回避されることになり、高反射率金属層による励起光の反射率が最大となる。
【００３２】
上記高反射率金属層が、Ａｇ，Ｒｈまたはこれらの金属を含む合金膜または積層膜から構成されている場合には、これらの材料が何れも波長３７０ｎｍ以上で５０％以上の反射率を有しているので、高い反射率の第二の電極が得られることになる。
【００３３】
上記導電性透明酸化物層及び高反射率金属層の間に、金属単層膜，積層膜，合金膜または導電性透明酸化物膜から成る中間電極層を備えている場合には、導電性透明酸化物層及び高反射率金属層の間の電極剥離が抑制されることになる。
【００３４】
波長変換型半導体素子が白色ＬＥＤであって、上記第一の電極が、ｐ型窒化ガリウム系用オーミック電極である場合には、さらに第一の電極のｐ型窒化ガリウム系層に対する接触抵抗率が低減されることになり、より明るい白色光を取り出すことができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図１乃至図６を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００３６】
図１は、本発明による波長変換型半導体素子の一実施形態の構成を示している。
図１において、波長変換型半導体素子１０は、ｎ型窒化ガリウム系の波長変換型半導体素子としての白色ＬＥＤであって、透明基板１１の下面に対して順次に積層されたｎ型窒化ガリウム系層（Ｉｎ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｇａ（ｘ）Ｎ：ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）１２，ｐ型窒化ガリウム系層１３と、ｐ型窒化ガリウム系層１３の表面に形成されたｐ型窒化ガリウム系用電極１４と、このｐ型窒化ガリウム系用電極１４からｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の接合部までを覆うように形成された絶縁膜１５と、ｎ型窒化ガリウム系層１２の周囲の端面全体を覆うように形成されたｎ型窒化ガリウム系用電極１６と、透明基板１１の上に備えられた波長変換材１７と、を含んでおり、全体がモールド樹脂１８により覆われることにより構成されている。
【００３７】
上記透明基板１１は、例えばサファイアＣ面基板等の後述する励起光に対して透明となる材料から構成されている。
上記ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相堆積法）等の成膜方法により透明基板１１の下面に対して順次に形成される。
【００３８】
これらのｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３は、成膜後に、例えば塩素ガスを用いたＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）等のドライエッチング法によって、周囲の端面が図示のように傾斜して形成される。
これにより、絶縁膜１５のｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３に対する接触面積が増大するので、絶縁膜１５の密着性が良好になり、絶縁膜１５の形成時の信頼性が向上すると共に、絶縁膜１５の剥離が抑制される。従って、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の間の電気的絶縁性の信頼性が向上し、所謂励起光源素子の歩留まりが向上することになる。
さらに、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の周囲の端面の傾斜によって、後述する第二の電極１６によって励起光が上方の透明基板に向かって反射されることになり、波長変換材１７への光入射効率が向上することになる。
尚、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の周囲の端面の傾斜角度は、絶縁膜１５の密着性の観点からは９０度以下であればよく、また反射効率の観点からは好ましくは４５度±５度に選定される。
【００３９】
上記ｐ型窒化ガリウム系用電極１４は、ｐ型窒化ガリウム系層１３と良好な電気的接触が可能であるＮｉ，Ｒｈ等の金属から構成されている。
上記絶縁膜１５は、後述する励起光により劣化しないＳｉＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 等の透明材料から構成されている。
【００４０】
上記ｎ型窒化ガリウム系用電極１６は、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の端面（チップ端面）から励起光を出射させないように、チップ端面を覆うように形成されている。
これにより、上記ｎ型窒化ガリウム系電極１６は、入射する励起光を反射させるようになっている。
【００４１】
上記ｐ型窒化ガリウム系用電極１４及びｎ型窒化ガリウム系用電極１６は、それぞれＡｕバンプまたはＴｉ及びＡｕから成るマウント用ボンディングパッド１４ａ，１６ｃ及びＡｕ−Ｓｎ合金から成る共晶電極１４ｂ，１６ｄを介して、サブマウント１９の引出し電極１９ａ，１９ｂに対して機械的に固定されると共に、電気的に接続される。
尚、上記引出し電極１９ａ，１９ｂは、例えば一般的には直径２５μｍ程度のＡｕワイヤ１９ｃ，１９ｄを使用して、ワイヤボンディングにより外部に引き出されるようになっている。
【００４２】
上記波長変換材１７は、例えばＹＡＧ系蛍光体やＺｎＳ系蛍光体とを組み合わせることにより構成されており、励起光が入射したとき、この励起光とは異なる波長の蛍光を発生させ、外部に向かって出射するようになっている。
【００４３】
以上の構成は、図７に示した従来の波長変換型半導体素子１とほぼ同様の構成であるが、本発明実施形態による波長変換型半導体素子１０においては、上記第二の電極１６が、図２に示すように構成されている点で異なる構成になっている。
即ち、図２において、第二の電極１６は、ｎ窒化ガリウム系用電極であって、高反射率金属層１６ａと、導電性透明酸化物層１６ｂと、から構成されている。
【００４４】
上記高反射率金属層１６ａは、ｐｎ接合からの励起光の波長である波長３７０ｎｍ以上にて例えば５０％以上の高い反射率を有する材料、例えばＡｇ，Ｒｈまたはこれらの金属を含む合金膜または積層膜から構成されている。
尚、Ａｌは、同様に高い反射率を有するが、導電性透明酸化物層１６ｂ上にＡｌ電極を形成して４００℃以上に加熱すると接触抵抗が大きく上昇することが確認されているので、高反射率金属層１６ａの材料としては不適である。
また、高反射率金属層１６ａの材料としては、上記高反射率の金属Ａｇ，Ｒｈと高反射率でない他の金属、例えばＰｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｎｉ等とから成る合金層や積層膜であってもよい。
さらに、上記高反射率金属層１６ａは、励起光が高反射率金属層１６ａを透過せずに反射されるように、その厚さが１０ｎｍ以上に、好ましくは十分な反射光を得るために１００ｎｍ以上に選定されている。
【００４５】
また、導電性透明酸化物層１６ｂは、一般的に知られている導電性透明酸化膜であればよく、例えば酸化亜鉛，酸化インジウム，酸化スズまたはこれらの酸化物が主材料となる化合物、例えばＩｎ−Ｓｎ−Ｏ等から構成されている。
導電性透明酸化物層１６ｂは、好ましくはイオンプレーティング法，スパッタ法，電子線加熱蒸着法，レーザーアブレーション法等により形成される。
特に、アーク放電を用いたイオンプレーティング法によれば、品質の良い膜を室温で作製できるため、容易なリフトオフパターニングが可能となる。
【００４６】
さらに、導電性透明酸化物層１６ｂは、好ましくは、高反射金属層１６ａによる反射効率を高めるために、即ち導電性透明酸化物層１６ｂ自体の光透過率を高めるために、その厚さが５μｍ以下に選定されており、特に６０％以上の高反射率を得るためには、その厚さが１μｍ以下に選定されている。
ところで、導電性透明酸化物層１６ｂの厚さが１μｍ以下の場合、励起光の波長程度の膜厚になることから、導電性透明酸化物層１６ｂ内における励起光の干渉により、第二の電極１６の反射率が低下してしまう。これを回避するためには、上記干渉によって反射率が最大となるように、膜厚ｄを設定すればよい。
この反射率最大となる膜厚ｄは、導電性透明酸化物層１６ｂの屈折率をｎ，励起光の波長をλとしたとき、
［数式１］ ｄ＝ｍλ／ｎ で与えられる。
【００４７】
これに対して、ｎ型窒化ガリウム系層１２と高反射率金属薄膜層１６ａの何れか一方または双方に、導電性透明酸化物層１６ｂにおける励起光の干渉を抑制する構造を付与するようにしてもよい。
これは、具体的には、ｎ型窒化ガリウム系層１２と高反射率金属薄膜層１６ａの少なくとも一方に、大きさが１ｎｍ乃至１μｍ程度の凹凸形状を形成することにより得られる。
【００４８】
さらに、上記高反射率金属層１６ａと導電性透明酸化物層１６ｂとの間に、電極剥離を抑制するために、好ましくは中間電極層（図示せず）が形成される。
この中間電極層は、高反射率金属層１６ａの反射効率を損なわない材料、例えばＮｉ，Ｔｉ等の金属単層膜，積層膜，合金膜または導電性透明酸化物膜から構成されている。
【００４９】
これらの高反射率金属層１６ａ，導電性透明酸化物層１６ｂ及び中間電極層は、好ましくは電子線加熱蒸着またはスパッタ法により形成されると共に、電極剥離防止や電気的特性の改善のために、形成後に合金化処理し、あるいは合金化処理した積層膜として形成されるようにしてもよい。
さらに、高反射率金属層１６ａ，導電性透明酸化物層１６ｂ及び中間電極層のパターニングは、一般的な方法、例えばエッチング法やリフトオフ法により行なわれる。
【００５０】
本発明実施形態による波長変換型半導体素子１０は、以上のように構成されており、サブマウント１９の引出し電極１９ａ，１９ｂ間に駆動電圧を印加することにより、ｎ型窒化ガリウム系層１２及びｐ型窒化ガリウム系層１３の間のｐｎ接合にて、励起光が発生して、この励起光が、第一の電極１４及び第二の電極１６の内面により反射され、ｎ型窒化ガリウム系層１２の上面から透明基板１１に入射する。
この透明基板１１を透過した励起光は、波長変換材１７に入射することになり、波長変換材１７は、入射する励起光によって、異なる波長の光を発生させ、上方に向かって出射させる。
このようにして、波長変換型半導体素子１０は、例えば白色光を出射するようになっている。
【００５１】
この場合、上記第二の電極１６が、例えば反射率５０％以上である高反射率金属層１６ａを含んでいることにより、励起光の第二の電極１６による反射光量が増大することになり、波長変換材１７への励起光の入射光量が増大することになる。
従って、波長変換材１７から出射する光量も増大するので、ｎ型窒化ガリウム系の波長変換型半導体素子１０の発光効率が高められることになる。
【００５２】
さらに、第二の電極１６が、導電性透明酸化物層１６ｂを含んでいることにより、この導電性透明酸化物層１６ｂがｎ型窒化ガリウム系層１２と良好な電気的接触を備えていることから、第二の電極１２のｎ型窒化ガリウム系層１２に対する接触抵抗率が低減されることになる。従って、第一の電極１４及び第二の電極１６間に印加する駆動電圧が低くて済み、省電力型の半導体素子が得られると共に、発熱量の低下によって、熱による半導体素子の特性低下が抑制され得る。
【００５３】
また、ｐ型窒化ガリウム系層１３及びｎ型窒化ガリウム系層１２の周囲の端面が、下方に向かって傾斜していることにより、第二の電極１６のｐ型窒化ガリウム系層１３及びｎ型窒化ガリウム系層１２そして絶縁膜１５に対する第二の電極１６の接触面積が増大するので、第二の電極１６の密着性が向上する共に、第二の電極で反射される励起光が上方に向かって反射されるので、励起光の取出し効率が向上することになる。
【００５４】
ここで、上記第二の電極１６の各種特性を検証する。
この検証のために、図３に示すサンプル電極２０を作製した。
このサンプル電極２０は、例えばｎ〜５×１０18／ｃｍ3 のキャリア密度を有するｎ型窒化ガリウム系層２１の上に、電子線加熱蒸着装置にて連続成膜することにより、上述した第二の電極１６と同じ構成の電極２２、即ち導電性透明酸化物層２３及び高反射率金属層２４を順次に形成し、リフトオフ法によりパターン形成することにより、構成され、加熱処理は行なわなかった。
導電性透明酸化物層２３は、上述した導電性透明酸化物層１６ｂと同様に構成されており、例えば膜厚１５０ｎｍの酸化亜鉛膜から構成されている。
また、高反射率金属層２４は、上述した高反射率金属層１６ａと同様に構成されており、例えば膜厚０．３ｎｍのＮｉ膜及び膜厚３００ｎｍのＡｇ膜を積層させることにより構成されている。
尚、比較のために、同じｎ型窒化ガリウム系層２１上に従来一般的に使用されている膜厚２５ｎｍのＴｉ膜及び膜厚１μｍを形成したリファレンス電極も作製し、電極のパターニング後に、窒素雰囲気中にて５００℃で２０秒間加熱処理を行なった。
尚、上記膜厚は、何れも成膜時の膜厚モニタの値である。
ここで、サンプル電極２０及びリファレンス電極の電極パターンは、図４に示すように、円環状に形成されている。
【００５５】
このようなサンプル電極２０及びリファレンス電極に対して、それぞれ駆動電源２５により駆動電圧を印加して、その電流−電圧特性を測定したところ、図５のグラフに示すような特性曲線が得られた。この結果、サンプル電極２０及びリファレンス電極双方の電流−電圧特性は、ほぼ等しいことが確認された。
【００５６】
次に、サンプル電極２０及びリファレンス電極の反射率を測定した。
この反射率の測定は、双方の電極を厚さ１ｍｍの石英基板上にてパターニングせずに形成し、石英基板側から光を入射させることにより、その反射率を測定した（尚、この場合、双方の電極は、前述した合金化処理は行なっていない。）ところ、図６のグラフに示すような反射スペクトル特性が得られた。この結果、リファレンス電極では、波長３７０ｎｍ以上で反射率が４０％であるのに対して、サンプル電極２０では、波長３７０ｎｍ以上で約７０％となり、５０％以上の反射率であることが確認された。
【００５７】
また、上記波長変換型半導体素子１０及び図７に示した従来の波長変換型半導体素子１として、それぞれ白色ＬＥＤを作製して、その相対全光束を比較した。
各白色ＬＥＤとしては、それぞれサファイア基板上にＭＯＣＶＤ法によりｐ型及びｎ型の窒化ガリウム系層を順次に形成して、所謂励起光源素子としての窒化ガリウム系紫外ＬＥＤを作製し、塩素系ガスによるＲＩＥ法により、ｐ型及びｎ型の窒化ガリウム系層の表面から約４００ｎｍ程度エッチングして、ｎ型窒化ガリウム系層を露出させた。
第一の電極１４として、約３００ｎｍのＲｈ膜を形成すると共に、絶縁膜１５として、約４００ｎｍのＳｉＯ2 層を形成し、その後、チップ端面に、第二の電極１６として、上記サンプル電極２０またはリファレンス電極と同様の構成の電極を形成し、Ｔｉ及びＡｕから成るマウント用ボンディングパッド及びＡｕ−Ｓｎ合金から成る共晶電極を形成した。
ここで、すべての電極及び絶縁膜は電子線加熱蒸着法により形成し、リフトオフ法によるパターニングを行なった。
最後に、すべての電極を形成した状態で、所謂スクライブ法によりチップ毎に分離して、個々のチップをサブマウントにダイボンディングして、紫外光を反射し且つ可視光を透過させる酸化物絶縁膜と蛍光体から成る波長変換材をサファイア基板上に設置し、モールド樹脂により封止することにより、白色ＬＥＤを作製した。
【００５８】
このようにして作製された本発明実施形態による波長変換型半導体素子としての白色ＬＥＤと、従来の白色ＬＥＤについて、ＤＣ２０ｍＡの駆動電流で駆動して得られた白色光を積分球にて全光束測定を行なったところ、従来の白色ＬＥＤの全光束を１００としたとき、本発明実施形態による白色ＬＥＤの全光束は１７２となり、相対全光束が大幅に増加することが確認された。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、第二の電極が、高反射率金属層を含んでいることにより、励起光の第二の電極による反射光量が増大することになり、波長変換材への励起光の入射光量が増大することになる。
従って、波長変換材から出射する光量も増大するので、波長変換型半導体素子の発光効率が高められることになる。
【００６０】
さらに、第二の電極が、導電性透明酸化物層を含んでいることにより、この導電性透明酸化物層がｎ型窒化ガリウム系層と良好な電気的接触を備えているので、第二の電極の接触抵抗率が低減されることになり、第一の電極及び第二の電極間に印加する駆動電圧が低くて済み、省電力型の半導体素子が得られることになると共に、発熱量が低下するので、熱による半導体素子の特性低下が抑制され得ることになる。
このようにして、本発明によれば、反射面として機能する電極の反射率を高めると共に、接触抵抗を低減するようにした、極めて優れた波長変換型半導体素子が提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長変換型半導体素子の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】図１の波長変換型半導体素子における第二の電極の構成を示す部分拡大断面図である。
【図３】図１の波長変換型半導体素子における第二の電極の検証を行なうためのサンプル電極の構成を示す概略断面図である。
【図４】図３のサンプル電極の電極パターンを示す概略平面図である。
【図５】図３のサンプル電極及びリファレンス電極の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図６】図３のサンプル電極及びリファレンス電極の反射スペクトル特性を示すグラフである。
【図７】従来の波長変換型半導体素子の一例の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０ 波長変換型半導体素子
１１ 透明基板
１２ ｎ型窒化ガリウム系層
１３ ｐ型窒化ガリウム系層
１４ ｐ型窒化ガリウム系用電極
１４ａ ボンディングパッド
１４ｂ 共晶電極
１５ 絶縁膜
１６ ｎ型窒化ガリウム系用電極
１６ａ 高反射率金属層
１６ｂ 導電性透明酸化物層
１６ｃ ボンディングパッド
１６ｄ 共晶電極
１７ 波長変換材
１８ モールド樹脂
１９ サブマウント
２０ サンプル電極
２１ ｎ型窒化ガリウム系層２１
２２ 電極
２３ 導電性透明酸化物層
２４ 高反射率金属層
２５ 駆動電源
Claims (7)
- ｐｎ接合を構成する下方のｐ型窒化ガリウム系層（Ｉｎ（ｙ）Ａｌ（１−ｘ−ｙ）Ｇａ（ｘ）Ｎ：ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）及び上方のｎ型窒化ガリウム系層と、これらの上方に配設された波長変換材と、ｐ型窒化ガリウム系層の下面に備えられ且つｐ型窒化ガリウム系層に電気的に接触したｐｎ接合からの励起光を外部に透過させないｐ型窒化ガリウム用の第一の電極と、ｐ型窒化ガリウム系層の端面及びｐｎ接合の領域の端面を包囲し且つｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて透明である絶縁膜と、ｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層の端面を包囲し且つｎ型窒化ガリウム系層のみに電気的に接触したｎ型窒化ガリウム系用の第二の電極と、を含む波長変換型半導体素子であって、
上記第二の電極が、ｐｎ接合からの励起光の波長近傍にて反射率の高い材料から成る厚さ１０ｎｍ以上の高反射率金属層と、導電性透明酸化物層と、から構成され、
上記導電性透明酸化物層の膜厚ｄは、当該導電性透明酸化物層の屈折率をｎ，励起光の波長をλとしたとき、ｄ＝ｍλ／ｎ（ただしｍは整数）に設定されていることを特徴とする波長変換型半導体素子。 - ｐ型窒化ガリウム系層及びｎ型窒化ガリウム系層の周囲の端面が、垂直または下方に向かって傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換型半導体素子。
- 上記導電性透明酸化物層が、厚さ５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の波長変換型半導体素子。
- 上記導電性透明酸化物層が、酸化亜鉛，酸化インジウム，酸化スズまたはこれらの酸化物が主材料となる化合物から構成されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の波長変換型半導体素子。
- 上記高反射率金属層が、Ａｇ，Ｒｈまたはこれらの金属を含む合金膜または積層膜から構成されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の波長変換型半導体素子。
- 上記導電性透明酸化物層及び高反射率金属層の間に、金属単層膜，積層膜，合金膜または導電性透明酸化物膜から成る中間電極層を備えていることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の波長変換型半導体素子。
- 波長変換型半導体素子が白色ＬＥＤであって、上記第一の電極が、ｐ型窒化ガリウム系用オーミック電極であることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれ１項に記載の波長変換型半導体素子。
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