JP4946663B2

JP4946663B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP4946663B2
Application number: JP2007172227A
Authority: JP
Inventors: 伸治中村; 真裕山本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: JP2009010280A

Description

本発明は、半導体発光素子、特に、透光性導電膜とパッド電極を備えた半導体発光素子に関する。

近年、半導体発光素子が、例えば、大型ディスプレイや信号機、携帯電話のバックライト光源など、幅広い分野で使用されている。特に、窒化ガリウム等の窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、紫外光、青色光、緑色光等の発光が可能であり、高効率で低消費電力である上、小型化が可能で機械的振動にも強く、長寿命で信頼性が高い等の利点を生かして、その用途を拡大しつつある。

この半導体発光素子は、ｎ型半導体と発光層（活性層）を介して形成されたｐ型半導体層とを有し、発光層に注入される正孔と電子の再結合によって発生する光を利用するものである。このような半導体発光素子の具体的な例として、例えば、ｐ型半導体層の上に積層された透明導電膜からなる電極部と、その電極部の上部に形成されたパッド電極と、発光層を切り欠いて形成されるｎ型半導体層の露出面に形成されたパッド電極とを備えた構造の半導体発光素子がある。このように構成された半導体発光素子は、ｐ型半導体層上に形成されたパッド電極とｎ型半導体層の露出面に形成されたパッド電極が、ワイヤボンディング接続やバンプ接続によって外部回路と接続され、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を介して正孔及び電子がそれぞれ発光層に注入される。

しかしながら、このようなパッド電極を備えた半導体発光素子では、発光層で発光した光がパッド電極によって遮られ、光の取り出し効率及び発光出力が低下する原因となる。

そこで、特許文献１では、発光層の上にｐ型半導体層とｐ型電極が順に積層された素子において、ｐ型電極の反射率を５５〜１００％にして、発光層からの光を反射させ、光の取り出し効率を高めることが開示されている。
また、特許文献２では、２つの半導体層の間に発光層が挟まれた積層構造体の上に透明電極層とパッド電極が形成された半導体発光素子において、パッド電極の下に位置する透明電極層と半導体層の間に、バリア層と高抵抗層を形成して、パッド電極の直下に電流が流れにくくした構造が開示されている。
さらに、特許文献３には、ｐ型窒化物半導体層の上に透光性導電膜を形成し、その透光性導電膜の上に部分的に絶縁性を有する透光性膜と反射膜とを設け、さらにその上に反射膜を形成した構造が開示されている。このようにして、特許文献３の構造では、光取り出し効率を向上させかつ信頼性を向上させている。
特開２００３−８６８４３号公報特開平８−２５０７６９号公報特開２００５−１９７２８９号公報

しかしながら、これらの半導体発光素子では、さらに取り出し効率を高めることが求められている。
また、絶縁層や反射膜をパッド電極の下に設ける構造では、絶縁層や反射膜による段差によってその上に形成された透光性導電膜の耐久性が悪化するという問題があった。

そこで、本発明は、活性層で発光した光の取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明は、また、活性層で発光した光の取り出し効率をより向上させることができ、かつ耐久性の高い半導体発光素子を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上面の少なくとも一部に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層の上面に形成された透光性導電膜と、前記透光性導電膜上の一部に形成された第２導電側パッド電極とを備えた半導体発光素子において、前記第２導電型半導体層に、傾斜した側面を有し開口側の広い凹部が設けられ、該凹部表面が反射膜を介して前記透光性導電膜に覆われており、その反射膜を覆う透光性導電膜上に前記第２導電側パッド電極が設けられたことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体発光素子は、前記反射膜と前記透光性導電膜の間に絶縁層を設け、前記反射膜と前記透光性導電膜を電気的に分離するようにできる。

以上のように構成された本発明に係る半導体発光素子は、前記凹部の表面、特に、前記凹部の傾斜した側面に形成された前記反射膜によって反射させた光を外部に効率的に取り出すことができるので、活性層で発光した光の取り出し効率の高い半導体発光素子を提供することができる。
また、本発明に係る半導体発光素子において、前記反射膜と前記透光性導電膜の間に絶縁層を設け、前記反射膜と前記透光性導電膜を電気的に分離するようにした場合であっても、凹部を設けないで絶縁層や反射層を設けたものに対し、第２導電側パッド電極下の透光性導電膜の絶縁層や反射層による段差を小さくできるので、光の取り出し効率をより向上させることができ、かつ耐久性の高い半導体発光素子を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の半導体発光素子について説明する。
なお、以下の実施形態では、窒化物半導体を用いて構成した窒化物半導体発光素子について説明するが、本発明は、窒化物半導体発光素子に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子の上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’断面における断面図である。図１に示すように、本実施形態の窒化物半導体発光素子は、平面視で略矩形になっており、対角隅部にｎ側パッド電極１１とｐ側パッド電極１３が設けられている。また、本実施形態の窒化物半導体発光素子は、図２に示すように、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ等の基板１の上に、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３及びｐ型窒化物半導体層４が順次形成された、ダブルへテロ構造を有している。

そして、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、ｐ型窒化物半導体層４と活性層３の一部を除去して対角隅部の一方の隅部にｎ型窒化物半導体層４を露出させ、その露出面にｎ側パッド電極１１を形成している。また、本実施形態において、ｐ側電極は、ｐ型窒化物半導体層４のほぼ全面に形成された透光性導電膜１２と透光性導電膜１２上に形成されたｐ側パッド電極１３とからなる。なお、ｐ側パッド電極１３は、ｎ側パッド電極１１が形成された一方の隅部と対角をなす位置にある他方の隅部に形成される。

ここで、特に、本実施形態の窒化物半導体発光素子は、ｐ側パッド電極１３の直下に、傾斜した側面３０ａを有し開口側が広くなった凹部３０を形成し、その凹部３０に反射膜２０と絶縁層２１を介して透光性導電膜１２を形成して、その上に第２導電側パッド電極を設けたことを特徴としている。なお、絶縁層２１は、該凹部３０の表面に形成された、例えば、金属膜からなる反射膜２０と透光性導電膜１２を電気的に分離している。
以上のような構成により、実施形態の窒化物半導体発光素子では、詳細後述するように、活性層３で発光した光を効率よく外部に取り出すことが可能になり、かつ発光効率を高くすることができる。

すなわち、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、凹部３０の表面、特に、傾斜した側面３０ａに形成された反射膜２０によって反射された光を効果的に外部に取り出すことが可能になる。
具体的には、凹部３０の側面３０ａが傾いて開口側が開いているので、活性層に対向する割合が高くなり、より多くの光が反射されて外部に放射される。これに対して、活性層に対して凹部側面が垂直であると反射層に当たる光が少なくなり、逆テーパ（開口側が狭くなっているもの）であると、活性層側からの光がほとんど当たらなくなる。本発明において、この凹部側面は垂直に対して、少なくとも開口側が開くなるように傾いていればよいが、凹部３０の側面３０ａが凹部３０の底面に対してなす角度は、１００°以上１５０°以下に設定されることが好ましく、凹部３０の側面３０ａの傾斜を上記好ましい範囲に設定することにより、発光した光の取り出し効率を効果的に高めることができ、かつ高い加工精度で凹部３０を形成することができ、再現性（歩留まり）よく半導体発光素子を作成することができる。

また、本実施形態では、凹部３０の表面に形成された反射膜２０によって、発光した光のｐ側パッド電極１３への入射を阻止できるので、ｐ側パッド電極１３の光吸収による損失をなくすことができ、より高い発光効率が得られる。特に、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、傾斜した側面３０ａに反射膜２０が形成されているので、活性層に対して凹部側面が垂直である場合や逆テーパである場合に比較して、発光した光のｐ側パッド電極１３への入射を効果的に阻止できる。なお、ここでいう発光効率が高いとは、入力エネルギーに対する出力エネルギーの比率（出力エネルギー／入力エネルギー）が高いことをいう。また、このｐ側パッド電極１３による光の吸収をより効果的に抑えるためには、ｐ側パッド電極１３の端が凹部３０の開口部の内側に位置していることが好ましい。

以上のように、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、側面３０ａが傾いて開口側が開いた凹部３０と凹部３０の表面に形成された反射膜によってｐ側パッド電極１３への光の入射が防止できるので、例えば、光の吸収が大きい金などから構成されるｐ側パッド電極１３を用いた場合であってもｐ側パッド電極１３の光吸収による損失をなくすことができ、より高い発光効率が得られる。

また、本実施形態の窒化物半導体発光素子においては、ｐ側パッド電極１３の直下の反射膜２０と透光性導電膜１２の間に絶縁層２１が形成されているので、ｐ側パッド電極１３の下にある活性層３への電流注入が制限される。これにより、発光の取り出しが困難なｐ側パッド電極１３の下にある活性層３における発光が抑えられ、発光効率の低下を防止できる。なお、本実施形態では、反射膜と前記透光性導電膜が電気的に分離されているので、反射膜を金属により構成した場合であっても同様の効果が得られる。

さらに、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、凹部３０に反射膜２０と絶縁層２１を形成して、その上を覆うように透光性導電膜１２を形成しているので、反射膜２０と絶縁層２１を形成したことによる段差を小さくできる。これにより、その段差部における透光性導電膜１２の膜厚の変動を小さくでき、透光性導電膜１２の耐久性を向上させることができる。

すなわち、図６に示すように、凹部３０を設けることなく、反射膜２００と絶縁層２１０とを形成して透光性導電膜１２０を形成した場合、反射膜２００と絶縁層２１０とによって形成された段差部分における透光性導電膜１２０の膜厚が薄くなる。このように、透光性導電膜１２０に膜厚の薄い部分が存在すると、通電したときにその部分の電流密度が高くなって耐久性が悪化する。特に、ｐ側パッド電極に近い部分のこの膜厚の薄い部分があると、電流の集中が顕著である。

これに対して、本実施形態のように、凹部３０に反射膜２０と絶縁層２１を形成して、その上に透光性導電膜１２を形成するようにすると、図３に示すように、透光性導電膜１２の段差部分における膜厚の変動を小さくでき、透光性導電膜１２の耐久性を向上させることができる。
具体的には、図３に示す構造では、反射膜２０の上端部が、ｐ型窒化物半導体層４の上面とほぼ同じ高さになるように、反射膜２０を凹部３０の表面に形成して、段差が小さくなるようにしている。
また、反射膜は絶縁層によって覆うことによって、ＡｌまたはＡｇを反射膜に含む場合であっても、ＡｌまたはＡｇのマイグレーションの発生を防止することができる。

また、本発明では、図４に示すように、反射膜２０の上端部が、ｐ型窒化物半導体層４の上面より低い位置になるように、反射膜２０を凹部３０の表面に形成することが好ましく、より好ましくは、図５に示すように、絶縁層２１が凹部３０に埋め込まれ、絶縁層２１の上面とｐ型窒化物半導体層４の上面とが実質的に平坦な面を構成していることが好ましい。このように、段差をより小さく、又は実質的に平坦な面として透光性導電膜１２を形成すると、透光性導電膜１２をより均一な膜厚に形成することができ、かつ透光性導電膜１２の上面を平坦にできるので、ｐ側パッド電極１３の形成が容易になる。

なお、図３及び図４に示すように、凹部３０上の透光性導電膜が形成される部分に多少の段差がある場合には、ｐ側パッド電極１３の端部が凹部３０上の外側に位置するように構成することにより、段差上の透光性導電膜１２における電流集中を防止でき、さらに信頼性を向上させることができる。

本実施形態の窒化物半導体発光素子では、ｐ側パッド電極１３とｎ側パッド電極とが同一面側に設けられているので、両側に電極が形成された発光素子に比較するとｐ側パッド電極１３近傍における電流の集中が顕著である。したがって、透光性導電膜１２を均一な膜厚に形成することにより耐久性が向上されるという本発明の効果は、ｐ側パッド電極１３とｎ側パッド電極とが同一面側に設けられた半導体発光素子においてより大きく、同一面側にｐ側とｎ側の電極が形成された半導体発光素子であっても高い信頼性が確保できる。

また、本実施形態の窒化物半導体素子では、凹部３０を活性層３に達しない深さに形成して、活性層３と凹部３０の底面の間にはｐ型窒化物半導体層４が残っている。
このようにすると、活性層３を損傷することなく凹部３０が形成できる。しかしながら、本発明では、活性層３に達するように、または活性層３を超えて凹部３０を形成するようにしてもよい。

以下、本実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。
本製造方法では、まず、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ等の基板１の上に、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３及びｐ型窒化物半導体層４を順に形成して、ｐ型窒化物半導体層４と活性層３の一部を除去して対角隅部の一方の隅部に、ｎ側パッド電極１１を形成するｎ型窒化物半導体層４を露出させる（図示せず）。
なお、凹部３０が形成されるｐ型窒化物半導体層４の膜厚は、１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、例えば、凹部３０の深さを３００ｎｍとする場合には、ｐ型窒化物半導体層４の膜厚は、例えば、４００ｎｍに設定する。

＜凹部形成工程＞
次に、図７Ａに示すように、凹部３０を形成するためのマスク３１を形成する。
このマスク３１は、例えば、フォトレジストマスクを用いて形成し、凹部３０を形成する位置に開口部が形成される。

そして、反応性イオンエッチングにより、このマスク３１の開口部を介して露出されたｐ型窒化物半導体層４を活性層３に達しない所定の深さに除去した後、マスク３１を除去する（図７Ｂ）。

本工程において、反応性イオンエッチング時に使用するフォトレジストマスク材料の選択、もしくは反応性イオンエッチング時における、反応装置内のガス流量、反応装置内の圧力、高周波出力周波数及び／又は電力を適宜調整することによって、開口側が広い凹部を形成することができる。

＜反射膜形成工程＞
次に、凹部３０の内表面（底面及び側面）を含むｐ型窒化物半導体層４の表面に反射膜２０を形成して（図７Ｃ）、凹部３０の内表面（底面及び側面）に形成された反射膜２０上にマスク３２を形成し（図７Ｄ）、マスク３２によって覆われていない部分の反射膜２０を除去する（図７Ｅ）。

本実施形態の窒化物半導体発光素子において、言うまでもなく、反射層２０は活性層３で発光される光に対する反射率が高いことが好ましく、例えば、反射率の高いＡｌ，Ａｇ又はＲｈを用いて構成される。また、反射層２０の膜厚は、高い反射率を得るために、５００オングストローム以上に設定されることが好ましい。

本工程において、マスク３２の大きさ（反射膜２０がマスク３２によって覆われている範囲）を調整することによって、反射膜２０の上端部が、ｐ型窒化物半導体層４の上面とほぼ同じ高さになるようにできるし、反射膜２０の上端部が、ｐ型窒化物半導体層４の上面より低い位置になるようにもできる。

＜絶縁層形成工程＞
次に、凹部３０を除いてマスク３３を形成した後、全体を覆うように絶縁層２１を形成し（図７Ｆ）、マスク３３をその上に形成された絶縁層２１とともに除去する。
以上のようにして、凹部３０の内表面に反射膜２０とその反射膜２０を覆う絶縁層２１が形成される（図７Ｇ）。

ここで、絶縁層２１の材料として、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２などがあげられるが、特に安定な絶縁が得られる材料としてＳｉＯ_２で構成されることが好ましく、その膜厚は、反射膜を完全に覆う程度の膜厚であること好ましく、具体的には、少なくとも充分に絶縁される膜厚として５０ｎｍ以上が好ましい。また、特に膜厚の上限はないが２００ｎｍもあれば十分であり、２００ｎｍ以下であることが好ましい。

本工程において、マスク３３の端部の位置を調整することによって、絶縁層２１の端部の位置を調整することができる。すなわち、図３に示すように、凹部３０の端部を超えて外側に延在するように絶縁層２１を形成することもできるし、図４に示すように、凹部３０のみに絶縁層２１を形成することもできる。

＜透光性導電膜形成工程＞
そして、凹部３０に形成された絶縁層２１及びｐ型窒化物半導体層４のほぼ全面に透光性導電膜１２を形成する（図７Ｈ）
本発明において、透光性導電膜１２は、例えば、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１種を含む酸化物、代表的にはＩＴＯにより構成され、その厚さは、例えば、１５００Å〜２０００Åに設定される。

最後に、ｎ側パッド電極１１及びｐ側パッド電極１３を所定の位置に形成する（図７Ｇ）。
以上のようにして、本実施形態の窒化物半導体発光素子は製造することができる。
以上の工程の説明において、膜を形成した後に所定のパターンのレジストを形成して、レジストが形成されていない部分の膜を除去するエッチング法で説明した工程と、所定のパターンのレジストを形成した後に膜を形成してレジストを除去すると同時にその上の膜を除去するリフトオフ法で説明した工程があるが、エッチング法で説明した工程をリフトオフ法で行うこともできるし、リフトオフ法で説明した工程をエッチング法で行うこともできる。

実施例として、外形３２０μｍ×３２０μｍの素子を作製する。第１導電型半導体層としてｎ型の窒化物半導体層を、活性層として窒化物半導体層を、第２導電型半導体層としてｐ型の窒化物半導体層を用い、ｐ型の窒化物半導体層としては総膜厚が４００ｎｍとなるように積層する。さらに凹部の深さを３００ｎｍ、凹部の傾斜角を４５°となるように凹部を形成し、反射層としてＡｇを１００ｎｍの膜厚で、さらに絶縁膜を反射層を覆うようにＳｉＯ_２を１５０ｎｍの膜厚で形成する。さらにｐ型の窒化物半導体層表面に透光性導電膜としてＩＴＯを２００ｎｍの膜厚で形成する。さらにパッド電極としてＴｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ａｕをパッド電極の端部の位置が凹部の端部の直上にくるように形成する。
比較例として、凹部を設けないようにして、そのほかは同様に、反射膜としてＡｇを１００ｎｍの膜厚で、絶縁膜をＳｉＯ_２を１５０ｎｍの膜厚で形成し、透光性導電膜としてＩＴＯを２００ｎｍの膜厚で、さらにパッド電極としてＴｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ａｕを作製する。
実施例は、比較例に対して発光出力が２％向上する。さらに１０００個の素子をそれぞれ作製し、１０００Ｖの電圧をかけたところ、透光性導電膜の破壊率が５分の１に低下する。

本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子の模式的上面図である。図１のＡ−Ａ’断面における模式的断面図である。図２の凹部周辺の一部の断面を拡大して示す断面図である。実施形態において、好ましい形態の凹部周辺の一部の断面を拡大して示す断面図である。実施形態において、より好ましい形態の凹部周辺の一部の断面を拡大して示す断面図である。比較例における図３〜図５に対応する部分の断面図である。実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法において、凹部を形成するためのマスク３１を形成した後の一部の断面を示す断面図である。実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法において、凹部を形成した後の一部の断面を示す断面図である。実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法において、反射膜を全面に形成した後の一部の断面を示す断面図である。実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法において、反射膜をパターンニングするためのマスクを形成した後の一部の断面を示す断面図である。実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法において、反射膜をパターンニングした後の一部の断面を示す断面図である。実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法において、絶縁層を全面に形成した後の一部の断面を示す断面図である。実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法において、絶縁層をパターンニングした後の一部の断面を示す断面図である。実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法において、透光性導電膜を形成した後の一部の断面を示す断面図である。実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法において、ｐ側パッド電極を形成した後の一部の断面を示す断面図である。

符号の説明

１基板、２ｎ型窒化物半導体層、３活性層、４ｐ型窒化物半導体層、１１ｎ側パッド電極、１２透光性導電膜、１３ｐ側パッド電極、２０反射膜、２１絶縁層、３０凹部、３０ａ凹部の側面。

Claims

第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上面の少なくとも一部に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層の上面に形成された透光性導電膜と、前記透光性導電膜上の一部に形成された第２導電側パッド電極とを備えた半導体発光素子において、
前記第２導電型半導体層に、傾斜した側面を有し開口側の広い凹部が設けられ、該凹部表面が反射膜を介して前記透光性導電膜に覆われており、その反射膜を覆う透光性導電膜上に前記第２導電側パッド電極が設けられたことを特徴とする半導体発光素子。
前記反射膜と前記透光性導電膜の間に絶縁層が設けられ、前記反射膜と前記透光性導電膜が電気的に分離されている請求項１に記載の半導体発光素子。
前記反射膜の上端部が、前記第２導電型半導体層の上面とほぼ同じ高さにある請求項２に記載の半導体発光素子。
前記反射膜の上端部が、前記第２導電型半導体層の上面より低い位置にある請求項２に記載の半導体発光素子。
前記絶縁層が上記凹部に埋め込まれ、前記絶縁層の上面と前記第２導電型半導体層の上面とが実質的に平坦な面を構成している請求項３又は４記載の半導体発光素子。
前記第２導電側パッド電極と同一面側の前記第１導電型半導体層の上面に、第１導電型側パッド電極が設けられた請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の半導体発光素子。
前記反射層は、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈからなる群から選択された少なくとも１種を含む請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の半導体発光素子。
前記透光性導電膜が、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１種を含む酸化物からなる請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の半導体発光素子。
前記第２導電型半導体層の厚みが、１５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の半導体発光素子。