JP4935136B2

JP4935136B2 - 発光素子

Info

Publication number: JP4935136B2
Application number: JP2006078448A
Authority: JP
Inventors: 康彦福田; 祐二小林; 保成奥
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-03-22
Also published as: JP2007258320A

Description

本発明は、発光素子に係り、特に導電性基板の上にＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部を有し、発光効率を向上させた発光素子に関するものである。

近年、赤色から黄緑色の可視光領域での高効率発光が可能な４元化合物半導体であるＩｎＧａＡｌＰ系材料を発光部に用いた発光素子が注目されている。

なお、本明細書において「ＩｎＧａＡｌＰ系」とは、組成式Ｉｎ_x（Ｇａ_1-yＡｌ_y）_1-xＰにおける組成比ｘ及びｙをそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１の範囲で変化させたあらゆる組成の半導体を含むものとする。すなわち、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＡｌＧａＰなどの混晶が「ＩｎＧａＡｌＰ系」に含まれるものとする。

ＩｎＧａＡｌＰ系材料は上記組成式において組成比ｘが約０．５のときにＧａＡｓと格子整合するという特徴がある。このとき、組成比ｙを０から約０．４まで変化させると格子整合しながら赤色から黄緑色の直接遷移による可視発光が得られる。また、ＧａＡｓを用いた高品質で比較的安価な基板が得られることから、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体はＧａＡｓ基板の上に形成されることが多く、これを用いた高効率の発光素子が広く用いられている。

ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体は、可視光発光素子用の半導体材料として最近多用されるようになり、特に赤色から黄緑色の発光ダイオードの分野や赤色レーザダイオードの分野での展開が進んでいる。

このＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体の発光ダイオードや半導体レーザ等の発光素子に使用される材料及び素子構造は、長年にわたる進歩の結果、素子内部における光電変換効率は理論上の限界に次第に近づきつつある。従って、一層高輝度の発光素子を得ようとした場合、発光素子からの光取り出し効率の向上が極めて重要となる。

光取り出し効率を向上させる方法としては、発光部から基板側に向かう光を発光に寄与できるように、発光部に光透過性の半導体基板を接合する方法が提案されている。

しかしながら、光透過性の半導体基板を、発光部に直接接合する場合、一般にその工程は複雑なものとなり、また高温での接合処理が必要となるため、発光部が劣化し易くなる間題がある。

一方、発光部と、Ａｕを主体とした金属層を積層したシリコン単結晶基板とを接着する構造も考えられている。この構造は、シリコン単結晶基板に積層された金属膜を反射層として使用することで基板側に向かう光を発光に寄与させるというものである（特許文献１を参照）。

図４に従来の発光素子の具体的な例を示す。発光素子３００は図示しないＧａＡｓ基板上に、半導体層が、例えば有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤという）法等により順次積層されている。ＧａＡｓ基板上に、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層３８を形成し、その上にダブルヘテロ構造の発光部４２となる、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３７、ＩｎＧａＡｌＰ活性層３６、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３５を形成する。

一方、ｎ型導電性基板３１の第１主面上には、Ａｕ層３２、反射電極３３、第１のオーミック電極３４からなる金属層を形成する。ｎ型導電性基板３１の第２主面上には、第２のオーミック電極３０が形成されている。

次にｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３５と、第１のオーミック電極３４とを接合部４１で重ね合わせて加熱し接合処理を行う。接合処理後、ＧａＡｓ基板を除去し、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層３８上の一部に第３のオーミック電極４０を形成する。

こうして形成された発光素子３００に通電を行うと、発光部４２にて発生する光のうち一部が反射電極３３により反射され、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層３８上の第３のオーミック電極４０で覆われていない領域から、光を漏出させるというものである。

しかしながら、ｐ型半導体は一般に抵抗率が高いため、第３のオーミック電極４０とＩｎＧａＡｌＰ活性層３６とが近傍な位置関係の場合は電流が広がりにくく、第３のオーミック電極４０の真下及び第３のオーミック電極４０近傍が発光し易くなり、発光効率は極端に低下する。

電流の広がりを得るには、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層３８の厚膜化が必要である。この為、ＭＯＣＶＤ法による形成には、ＭＯ材料つまりエピ成長するための有機金属材料の使用量及びそれに必要なガスの使用量も多量になり、長時間を要する。

また、厚膜化の為に気相成長法(以下、ＶＰＥ法という)を用いる場合には、ＭＯＣＶＤ法とＶＰＥ法とで２回成長の必要性もあった。

さらに、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層３８上の第３のオーミック電極４０により、光の遮りが発生し、光取り出し効率の低下を招いていた。
特開２００１−３３９１００号公報

上述のように、従来の発光素子には発光効率あるいは光取り出し効率が十分ではないという問題があった。本発明は、発光効率あるいは光取り出し効率が高い発光素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の発光素子は、導電性基板と、前記導電性基板上にＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部とを備え、前記導電性基板と反対側の面を光取り出し面とする発光素子において、前記導電性基板と前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部の間に位置する第１のオーミック配線電極部と、前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部の光取り出し面側に位置する第２のオーミック配線電極部を設け、前記第１のオーミック配線電極部と前記第２のオーミック配線電極部が略同形状であり、かつ前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部の外形と略相似形に形成することを特徴とし、発光効率あるいは光取り出し効率を向上させることができる。

上記構成を備えたことにより、流された電流は細線状のオーミック配線電極部を介して発光素子周辺部に広がる。さらに、略同形状のオーミック配線電極部を素子内に持つことにより、より確実に発光素子周辺部に電流の広がりを促し、発光効率あるいは光取り出し効率を向上させることができる。

本願の第１の発明は、導電性基板と、前記導電性基板上にＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部とを備え、前記導電性基板と反対側の面を光取り出し面とする発光素子において、前記導電性基板と前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部の間に位置する第１のオーミック配線電極部と、前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部の光取り出し面側に位置する第２のオーミック配線電極部を設け、前記第１のオーミック配線電極部と前記第２のオーミック配線電極部が略同形状であり、かつ前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部の外形と略相似形に形成することを特徴としたものである。

発光する際に、電流が略同形状のオーミック配線電極間を流れ、オーミック配線電極は発光部の外形と略相似形であるため、オーミック配線電極間とその周りの発光部を使って発光するので、発光効率を高めることができる。

また台座電極とオーミック配線電極は重なっていないため、台座電極による光の遮蔽の影響を抑えることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。

本願の第２の発明は、前記オーミック配線電極部は発光素子の周辺部に設けたことを特徴としたものである。

電流がオーミック配線電極間を流れる際に、発光素子の周辺部に広がり、発光部全体を使って発光するので、発光効率を高めることができる。

本願の第３の発明は、前記導電性基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃの単位金属基板、もしくはＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、またはその合金を含む金属材料からなる群より選ばれたいずれか一つの材料、またはその合金からなることを特徴としたものである。

特に導電率の高い材料を基板に用いることで、発光素子の順方向電圧を低くすることができる。

本願の第４の発明は、前記導電性基板と前記発光部の間には、前記導電性基板に接する側から順に、第一の金属層と第二の金属層とを備えることを特徴としたものである。

これにより、導電性基板と発光部との接合強度を高め、発光素子の信頼性を高めることができる。

本願の第５の発明は、前記第一の金属層は、Ａｕ系の材料からなることを特徴としたものである。

これにより、導電性基板と金属層との接合強度を高めることができる。

本願の第６の発明は、前記第二の金属層はＡｇ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ａｌまたは、その合金を含む金属材料からなる群より選ばれたいずれか一つの材料またはその合金からなることを特徴としたものである。

これにより、発光部から発せられた光を光取り出し面側へ反射させることができる。

本願の第７の発明は、前記発光部の上に電流拡散層を設け、前記電流拡散層の上に電流拡散層とオーミック接合しない台座電極と、前記台座電極と電気的に接続された細線状のオーミック配線電極部とを設けたことを特徴としたものである。

これにより、台座電極の直下の発光より、オーミック配線電極間の発光が大きくなり、高効率発光が可能な表面発光型の発光素子が得られる。

（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る発光素子の構成を図１と図２に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の構成を説明する概略断面図であり、図２は本発明の実施の形態に係る発光素子の構成を説明する概略上面図である。

図１において、発光素子１００はｎ型導電性基板１の第一主面側の上に、Ａｕ系の材料からなる第一金属層２とＰｔからなる第二金属層３とを有する。第二金属層３内に第１のオーミック配線電極部４を有する。

前記導電性基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃの単位金属基板、もしくはＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、またはその合金を含む金属材料からなる群より選ばれたいずれか一つの材料、またはその合金から形成されている。

第二の金属層はＰｔで形成されているが、Ａｇ、Ｉｎ、Ａｌ、またはその合金を含む金属材料からなる群より選ばれたいずれか一つの材料、またはその合金とすることもできる。

第二金属層３の上には、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５とＩｎＧａＡｌＰ活性層６とｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層７とからなるダブルヘテロ構造の発光部１３を形成し、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層７の上にはｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８を形成する。

ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８の上に、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８とオーミック接合しない台座電極９を有し、台座電極９の周囲には台座電極９と接続され、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８とオーミック接合する第２のオーミック配線電極部１０を有している。ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８はＩｎＧａＡｌＰ活性層６から発せられた光に対し略透明となるように組成を調整して形成されている。第２のオーミック配線電極部１０は、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８がＩｎＧａＡｌＰ活性層６から発せられた光に対し透明であり、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８の下のエピ層全体も透けて見えるため、第１のオーミック配線電極部４を見ながらパターン形成が可能である。

本発明の発光素子の最も重要な特徴は、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子１００の光取り出し面側の第２のオーミック配線電極部１０と、第１のオーミック配線電極部４の形状を略同形状にし、前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子１００の外形と略相似形に形成することである。

図４は、従来のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子３００の実施例の概略断面図である。図４において、第３のオーミック電極４０が光取り出し面の中央に位置しているのに対して、第１のオーミック電極３４が全面電極形状をしており、互いに異形状であるため、この構造においては、流された電流は第３のオーミック電極４０の真下に流れやすく、ＩｎＧａＡｌＰ活性層３６の全面に広がりにくい。また、ＩｎＧａＡｌＰ活性層３６で発光した光は、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子３００の中央に位置する光取り出し面の第３のオーミック電極４０による光の遮蔽が発生する。

それに対し、図１の本発明では、流された電流はＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子１００周辺から広がり、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子１００中央のワイヤボンド部（図示せず）による光の遮蔽を極力軽減し、光取り出し効率を向上することができ、また電流をロスなく発光に寄与させることができる。

図３は、本発明の発光素子の発光の状態を表したものである。

図３は図１と同じ構成であるため、同符号を付けて説明は省略する。

台座電極９から流された電流は、前記台座電極９と第２のオーミック配線電極部１０を流れ、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８を含む、ダブルヘテロ構造の発光部１３を流れ、第１のオーミック配線電極部４に流れる。

この時、第２のオーミック配線電極部１０と略同形状の第１のオーミック配線電極部４の間に電流が多く流れるため、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子１００周辺の発光が、台座電極９直下の発光よりも強くなる。

発光した光は、台座電極９及びワイヤボンド部（図示せず）による光の遮蔽を最小限に抑えることができ、光取り出し面から外部へ飛び出す。

ｎ型導電性基板１は１００μｍから３００μｍの厚みで形成される。製造工程におけるウエハのハンドリングの容易さの観点からはある程度厚いほうが良いが、厚過ぎると逆にハンドリングが困難となったり、表面実装タイプの発光装置に実装する際にパッケージの厚みを越えたりするなどの不具合が生じる。上記の厚みの範囲がハンドリング、製造コスト、実装設計の面で適している。

ここで、図１を参照しながら、本発明の発光素子の実施の形態の製造工程について簡単に説明する。

まず、図示しないｎ型ＧａＡｓ基板を準備する。ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡｓ基板の上に順に、図示しないｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層７、ＩｎＧａＡｌＰ活性層６、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５、をエピタキシャル成長により形成する。

次に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５の上にＡｕ系からなる金属膜を、抵抗加熱蒸着法やイオンビーム蒸着法、スパッタ法等により成膜し、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子１００の外形と略相似形に、第１のオーミック配線電極部４を形成する。

そして、Ｐｔからなる第二電極層３とＡｕからなる第一電極層２を抵抗加熱蒸着法やイオンビーム蒸着法、スパッタ法等により成膜する。第二電極層３及び第一電極層２の厚みはそれぞれ０．１μｍ及び２μｍとする。

次に、有機溶剤及び酸アルカリ等で洗浄され、第二主面上に導電性オーミック電極１１が形成されたｎ型導電性基板１を準備し、ｎ型導電性基板１の第一主面と第一金属層２の表面を接合部１２で重ねて合わせて密着させ、２００℃から７００℃に加熱させ、接合処理を行う。加熱は、例えば窒素雰囲気中やアルゴン雰囲気中で行う。これにより、ｎ型導電性基板１が第一金属層２に接合される。

接合処理の後、図示しないｎ型ＧａＡｓ基板とｎ型ＧａＡｓバッファ層をケミカル選択エッチングにより除去し、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８の表面を露出させる。露出したｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８の上の全面にＡｕＺｎ／Ａｕからなる金属膜を形成し、所定の形状にパターニングすることにより、第２のオーミック配線電極部１０を形成する。さらにこの後、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８、第２のオーミック配線電極部１０の上の全面に金属膜を形成し、略円形の形状にパターニングする。これにより、台座電極９が形成される。

その後、ウエハをブレードダイシングやレーザダイシング等によりチップ化することにより、図１に示すようなＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子１００が得られる。

図１において、ＩｎＧａＡｌＰ活性層６から発せられた光は、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８を透過して素子外部に取り出すことができる。台座電極９はＴｉ／Ａｌ系材料を０．１μｍから３μｍ程度の厚みで形成されるため、台座電極９を形成した領域は組立て時のワイヤーボンド部として使用する。台座電極９の直下にはオーミック電極は存在しないため、外部電源からの電流は台座電極９の直下の領域には流れず、発光に寄与しない無効電流を低減することができる。

第２のオーミック配線電極部１０は、ＡｕＺｎ系材料を０．０１μｍから２μｍ程度の厚みで形成されており、線幅が１μｍから１０μｍ程度の細線状にパターン形成されている。ＩｎＧａＡｌＰ活性層６からの発光は、第２のオーミック配線電極部１０が形成されているｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８の表面から素子外部へ取り出される。

図２は、本発明の発光素子の実施の形態の概略上面図である。

図２において、台座電極９の周囲に発光素子１００の外形と略相似形の第２のオーミック配線電極部１０とその四隅から矩形内部へ延びる接続細線パターン５１とで構成されている。第２のオーミック配線電極部１０と台座電極９は接続細線パターン５１で接続されており、外部電源からの電流は台座電極９及び接続細線パターン５１を介してオーミック配線電極部１０を経てｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８からＩｎＧａＡｌＰ活性層６に供給される。

また、第１のオーミック配線電極部４が、第２のオーミック配線電極部１０と同パターンで、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５の下に形成されることで、電流はｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層８上の接続細線パターン５１と第２のオーミック配線電極部１０から第１のオーミック配線電極部４へ向かって流れる。

このような構成とすることで、台座電極９直下での発光が抑制されるので、ＩｎＧａＡｌＰ活性層６から発せられた光が台座電極９で遮られて、素子外部に取り出されないという事態を抑制するとともに、台座電極９の直下よりも発光素子周辺部への電流供給を促進することで台座電極９での遮光に伴う無効電流を低減し、表面発光型の発光素子でありながら、発光素子側面からの光の取り出しをも促進することで光取り出し効率を高めることができる。

本実施の形態の発光素子を図４に示すような従来技術による発光素子と比較すると、軸上光度において約５０％の発光効率の改善が認められた。また、連続通電寿命試験において、順方向電流５０ｍＡにて１０００時問通電の後の輝度残存率、すなわち、通電開始時の輝度に対する通電１０００時問後の輝度の変化率において、従来技術による発光素子が約７０％にまで低下したのに対し、本実施の形態の発光素子は約９８％と輝度の低下がほとんど認められなかった。

本実施の形態においては、まずｎ型ＧａＡｓ基板の上に発光部を形成した後、導電性基板１を接合し、ｎ型ＧａＡｓ基板を除去する構成を示したが、発光部を形成する層の導電型は本実施の形態に限定されず、ｐ型をｎ型に、かつｎ型をｐ型に反転させた構成としても良い。その場合には、オーミック配線電極部に用いる金属材料は良好なオーミック接触が得られるよう適宜選択することができる。さらに、各層の材料及び組成、並びにオーミック配線電極部の形状などについても、本発明の思想を脱しない範囲で種々変形して用いることができる。

導電性基板と、前記導電性基板上にＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部とを備え、前記導電性基板と反対側の面を光取り出し面とする発光素子において、前記導電性基板と前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部の間に位置する第１のオーミック配線電極部と、前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部の光取り出し面側に位置する第２のオーミック配線電極部を設け、前記第１のオーミック配線電極部と前記第２のオーミック配線電極部が略同形状であり、かつ前記ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部の外形と略相似形に形成することを特徴としており、発光素子周辺部まで電流が広がることにより、発光効率あるいは光取り出し効率を向上させることができるため、従来よりも高効率の発光が可能となり、高輝度の発光が必要な用途にも適用できる。

本発明の実施の形態に係る発光素子の概略断面図本発明の実施の形態に係る発光素子の概略上面図本発明の発光素子の発光状態を示す概略断面図従来のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子の例を示す概略断面図

符号の説明

１ｎ型導電性基板
２第一金属層
３第二金属層
４第１のオーミック配線電極部
５ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
６ＩｎＧａＡｌＰ活性層
７ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
８ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層
９台座電極
１０第２のオーミック配線電極部
１１導電性オーミック電極
１２接合部
１３発光部
５１接続細線パターン
１００発光素子

Claims

導電性基板と、前記導電性基板上にＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部と、前記発光部の上に電流拡散層とを備え、前記導電性基板と反対側の面を光取り出し面とする発光素子において、前記導電性基板と前記発光部の間に第１のオーミック配線電極部が設けられ、前記電流拡散層の上に電流拡散層とオーミック接合しない台座電極と第２のオーミック配線電極部が設けられ、前記台座電極と前記第２のオーミック配線電極部は接続細線パターンで接続され、前記第１のオーミック配線電極部と前記第２のオーミック配線電極部が発光素子の周辺部に略同形状、かつ前記発光部の外形と略相似形に形成されたことを特徴とする発光素子。