JP5151758B2 - 発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、拡散電極が絶縁層に覆われ、拡散電極上に中間電極が設けられる発光素子に関する。
従来、フリップチップ型発光素子において、p側の拡散電極と、この拡散電極上に設けられる中間電極と、中間電極直上を除く領域の拡散電極上に形成され、絶縁膜、反射膜及び絶縁膜の3層構造を有する反射層と、反射層の絶縁膜上に形成され中間電極を介して拡散電極へ電流を供給する接合電極と、を備えたものが提案されている(特許文献1参照)。そして、中間電極を複数設けるものも提案されている(特許文献2参照)。
特開2007−300063号公報 特開2001−203386号公報
しかしながら、引用文献2に記載の発光素子のように、中間電極を複数とすると、拡散電極へ全体的に均一に電流を流すことが困難であり、発光素子の発光効率が悪くなるという問題点がある。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、拡散電極へ全体的に均一に電流を流すことができ、発光素子の発光効率を向上させたフリップチップ型発光素子を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、発光層へ電流を供給し、所定方向へ延びる長方形状の延在部を有する拡散電極と、前記拡散電極上に設けられ、前記延在部の幅方向中央に該延在部の長手方向に並べられ、互いの長手方向ピッチの半分の寸法前記延在部の外縁までの寸法と同じ若しくは短い複数の中間電極と、前記拡散電極上に形成される絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記中間電極を介して前記拡散電極へ電流を供給する接合電極と、を備え、前記拡散電極がITOよりなる透明電極であるフリップチップ型発光素子が提供される。
上記フリップチップ型発光素子において、前記拡散電極は、複数の前記延在部が該延在部の幅方向に並べられた平面視櫛歯状を呈することが好ましい。
上記フリップチップ型発光素子において、前記中間電極は、直径が20μm以上80μm未満である平面視円形を呈することが好ましい。
本発明によれば、拡散電極へ全体的に均一に電流を流すことができ、発光素子の発光効率を向上させることができる。
図1から図6は本発明の一実施形態を示し、図1は発光素子の平面図である。
図1に示すように、発光素子1は、青色領域の波長の光を発するフリップチップ型の発光ダイオード(LED)である。この発光素子1は、順電圧が3.2Vで、順電流が350mAの場合に、ピーク波長が450nmの光を発する。また、発光素子1は上面視にて四角形状に形成される。発光素子1の平面寸法は、縦寸法及び横寸法がそれぞれ略1000μmである。
発光素子1は、第1電極としてのp側電極10と、第2電極としてのn側電極20と、p側電極10上に形成される第1バンプとしてのp側バンプ30と、n側電極20上に形成される第2バンプとしてのn側バンプ40と、を備えている。発光素子1は、p側電極10とn側電極20が同じ面に形成されるフリップチップタイプであり、平面視にて略正方形状を呈している。
p側電極10は、平面視にて、n側電極20よりも面積が大きい。本実施形態においては、p側電極10の拡散電極11は、所定方向へ延びる延在部11aを有し、平面視にて櫛状に形成される。拡散電極11における櫛の歯に対応する部分上に、接合電極13(図1中不図示)を介して互いに平行な長尺の複数のp側バンプ30が形成されている。幅方向について外側の接合電極13及びp側バンプ30は、他の接合電極13及びp側バンプ30よりも短く形成されている。
n側電極20のオーミック電極21は、p側電極10のメサ部分に形成される。オーミック電極21上には接合電極22(図1中不図示)を介してn側バンプ40が形成されている。本実施形態においては、n側電極20の接合電極22及びn側バンプ40は、発光素子1の2つの角部に形成され、短く形成されたp側の接合電極13及びp側バンプ30の先端と平面視にて対向している。
図2は、図1のA−A断面図である。
図2に示すように、発光素子1は、(0001)面を有するサファイア基板50と、サファイア基板50の上に設けられるバッファ層60と、バッファ層60の上に設けられるn側コンタクト層61と、n側コンタクト層61の上に設けられるn側クラッド層62と、n側クラッド層62の上に設けられる発光部としての発光層63と、発光層63の上に設けられるp側クラッド層64と、p側クラッド層64の上に設けられるp側コンタクト層65とを備える。
バッファ層60と、n側コンタクト層61と、n側クラッド層62と、発光層63と、p側クラッド層64と、p側コンタクト層65は、それぞれ、III族窒化物化合物半導体からなる層である。バッファ層60からp側コンタクト層65までの各層は、例えば、有機金属化学気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)、分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy : MBE)、ハライド気相エピタキシー法(Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE)等によって形成される。
本実施形態においては、バッファ層60は、AlNから形成される。そして、n側コンタクト層61とn側クラッド層62は、所定量のSiをn型ドーパントとしてドーピングしたn−GaNからそれぞれ形成される。また、発光層63は、InGa1−xN/GaNから形成される多重量子井戸構造を有する。さらに、p側クラッド層64とp側コンタクト層65は、所定量のMgをp型ドーパントとしてドーピングしたp−GaNからそれぞれ形成される。尚、バッファ層60はGaNから形成されていてもよいし、発光層63の量子井戸構造は多重量子井戸構造でなく単一量子井戸の構造であってもよい。
また、発光素子1のp側電極10は、p側コンタクト層65の上に設けられる前述の拡散電極11と、拡散電極11上の一部の領域に設けられる中間電極12と、を有している。拡散電極11は、中間電極12の部分を除いて絶縁部70により覆われ、絶縁部70の内部には反射部80が配置されている。絶縁部70は、中間電極12が設けられる開口71を有している。また、p側電極10は、絶縁部70の上面を覆い中間電極12と接触する接合電極13を有している。
本実施形態においては、p側電極10の拡散電極11は透明電極であり、ITO(Indium Tin Oxide)から形成される。また、絶縁部70は、二酸化シリコン(SiO)から形成される。また、反射部80は、アルミニウム(Al)から形成される。尚、絶縁部70は、酸化チタン(TiO)、アルミナ(Al)、五酸化タンタル(Ta)等の金属酸化物、若しくはポリイミド等の電気絶縁性を有する樹脂材料から形成することもできる。また、反射部80は、Agから形成することもでき、Al又はAgを主成分として含む合金から形成することもできる。また、反射部80は、屈折率の異なる2つの材料の複数の層から形成される分布ブラッグ反射器(Distributed Bragg Reflector : DBR)であってもよい。
中間電極12は、平面視円形を呈し、例えば80μm未満の比較的小さい面積となっている。中間電極12は、拡散電極11との接触部分に形成されるNi層と、接合電極13との接触部分に形成されるAl層と、Ni層とAl層の間に形成されるAu層と、を有する。
接合電極13は、絶縁部70及び中間電極12と接触する接触メタルと、接触メタルの上に形成される拡散防止部としての第1バリアメタルと、第1バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第2バリアメタルと、第2バリアメタルの上に形成される拡散防止部としての第3バリアメタルと、第3バリアメタルの上に形成されるはんだ電極を有する。本実施形態においては、接触メタルはTiから構成され、第1バリアメタル及び第3バリアメタルはNiから構成され、第2バリアメタルはTiから構成され、はんだ電極は所定の温度で溶融するAuとSnとの合金材料から構成される。
接合電極13の上に、所定高さのp側バンプ30が形成されている。本実施形態においては、p側バンプ30は、表層がAuのAu−Snはんだから構成されている。
n側電極20は、n側コンタクト層61の上に設けられる前述のオーミック電極21と、オーミック電極21上に設けられる接合電極22と、を有している。オーミック電極21は、Ti、Al、Pd、Pt、V、Ir、及びRhの金属よりなる群から選ばれた少なくとも1種の金属を含んで形成される。絶縁部70は、オーミック電極21の形成領域を除いてn側コンタクト層61を覆っている。絶縁部70は、オーミック電極21を露出させる開口72を有している。
p側バンプ30及びn側バンプ40は、それぞれAu−Snはんだからなり、めっき法、スクリーン印刷法、スパッタ蒸着法等により接合電極13,22上に形成される。n側電極20の接合電極22は、平面視にて、p側電極10の接合電極13よりも小さく、小さい方のn側の接合電極22のn側バンプ40がp側バンプ30よりも高く形成されている。n側バンプ40は製造時の誤差を考慮してp側バンプ30よりも高く形成され、製造時の誤差によってp側バンプ30の方が高くなってしまうことはない。
図3は、p側電極の一部上面図である。
図3に示すように、各中間電極12は、各延在部11aの幅方向中央に配置され、互いの長手方向ピッチの半分の寸法a(以下、単位寸法aという)が、拡散電極11の延在部11aの外縁までの寸法bと等しくなっている。ここでいう、「長手方向ピッチ」とは各中間電極12の中心間の寸法をいい、「外縁までの寸法」は中間電極12から外縁までの寸法をいう。尚、各中間電極12の単位寸法aは、延在部11aの外縁までの寸法bより短くてもよい。本実施形態においては、各中間電極12の単位寸法aは、65μmと比較的狭くなっている。また、拡散電極11の延在部11aの総面積は578000μmであり、14450μmあたりに1個の中間電極12が設けられている。ここでは、中間電極12の1個あたりの面積は615μmであるが、この面積は小さいほど発光素子1から発せられる光量が増大する。
図4から図6は、第1の実施の形態に係る発光素子の製造工程の一例を示す。図4(a)は、n側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施される前の縦断面図である。図4(b)は、n側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施された後の縦断面図である。また、図4(c)は、拡散電極にマスクが形成された状態の縦断面図である。さらに、図4(d)は、拡散電極をエッチングした後の縦断面図である。
まず、サファイア基板50を準備し、このサファイア基板50の上に、バッファ層60と、n側コンタクト層61と、n側クラッド層62と、発光層63と、p側クラッド層64と、p側コンタクト層65とをこの順にエピタキシャル成長してエピタキシャル成長基板を形成する。
続いて、フォトレジストによるマスク100をp側コンタクト層65上にフォトリソグラフィー技術を用いて形成する(図4(a))。次に、マスク100が形成された部分以外をp側コンタクト層65からn側コンタクト層61の一部までエッチングした後、マスク100を除去する。これにより、n側クラッド層62からp側コンタクト層65までの複数の化合物半導体層から構成されるメサ部分が形成される(図4(b))。
この後、n側コンタクト層61及びp側コンタクト層65の上に、全体的に拡散電極11を形成する。本実施形態において拡散電極11はITOであり、真空蒸着法を用いて形成される。尚、拡散電極11は、スパッタリング法、CVD法、ゾルゲル法等により形成することもできる。そして、拡散電極11を残す領域にフォトレジストによるマスク102を形成する(図4(c))。続いて、拡散電極11におけるマスク102に被覆されていない領域をエッチングする。これにより、p側コンタクト層65の所定領域に拡散電極11が形成される(図4(d))。
図5(a)は、n側のオーミック電極を形成した後の縦断面図である。また、図5(b)は、中間電極を形成した後の縦断面図である。さらに、図5(c)は、反射部を形成した後の縦断面図である。
次いで、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、オーミック電極21を、n側コンタクト層61の予め定められた領域に形成する(図5(a))。尚、n側コンタクト層61の上にオーミック電極21の熱処理前の材料を設けておき、オーミック電極21に熱処理を施すようにしてもよい。
続いて、拡散電極11の所定の位置に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて中間電極12を形成する(図5(b))。オーミック電極21と中間電極12の上面高さは、オーミック電極21の方が高くなっている。本実施形態においては、この段階におけるオーミック電極21と中間電極12の上面高さの差が、p側バンプ30とn側バンプ40の上面高さの差となる。次に、n側コンタクト層61、n側オーミック電極21、メサ部分、拡散電極11及び中間電極12を覆う絶縁部70を、真空蒸着法により形成する。そして、絶縁部70上における中間電極12及びオーミック電極21の上方を除く所定の領域に、蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて反射部80を形成する(図5(c))。
図6(a)は、反射部の上に絶縁部を形成した後の縦断面図である。また、図6(b)は、絶縁部の一部に開口を形成した後の縦断面図である。さらに、図6(c)は、接合電極を形成した後の縦断面図である。
この後、真空蒸着法を用いて、絶縁部70が素子の上側に全体的に形成される(図6(a))。続いて、オーミック電極21上の絶縁部70と、中間電極12上の絶縁部70を、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて除去する。これにより、中間電極12上に開口71が形成されると共に、オーミック電極21上に開口72が形成される(図6(b))。
次に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、開口71及び開口72のそれぞれ内側に、p側の接合電極13及びn側の接合電極22を形成する(図6(c))。本実施形態においては、p側の接合電極13及びn側の接合電極22は、同工程で作製され、互いの上下寸法は同一となっている。なお、n側コンタクト層61、中間電極12及び接合電極13,22は、それぞれ、スパッタリング法により形成することもできる。また、絶縁部70は、化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition : CVD)により形成することもできる。
そして、めっき法により各接合電極13,22上にAu−Snはんだを成長させ、p側バンプ30及びn側バンプ40を作製する。このとき、n側バンプ40の上面高さが、p側バンプ30の上面高さよりも高くなるようにし、発光素子1が完成する(図1)。本実施形態においては、p側バンプ30とn側バンプ40は、同工程で作製され、互いの上下寸法は同一となっている。
以上の工程を経て形成された発光素子1は、導電性材料の配線パターンが予め形成されたセラミック等から構成されるサブマウントの所定の位置に、フリップチップボンディングにより実装される。このとき、n側バンプ40の上面高さがp側バンプ30よりも高いので、n側バンプ40がサブマウント側の配線パターンと的確に接続される。また、p側バンプ30は、n側バンプ40より低いものの、n側バンプ40と比べると体積が大きいためサブマウント側の配線パターンとの接続に支障をきたすことはない。そして、基板に実装された発光素子1を、エポキシ樹脂、ガラス等の封止材で一体として封止することにより、発光素子1はパッケージ化される。
以上のように構成された発光素子1によれば、各中間電極12が拡散電極11の幅方向中央に配置され、各中間電極12の単位寸法aが各中間電極12の外縁までの寸法bと等しいため、接合電極13を通じて拡散電極11に電流を流す際に、拡散電極11全体に均一に電流を流すことができ、発光素子1の発光量が増大する。また、各中間電極12同士の間隔が比較的狭いので、所定の電流値における順方向電圧を低下させることができる。
また、本実施形態のように中間電極12を平面視円形とし、各中間電極12の面積を比較的小さくして各中間電極12の間隔を小さくすることにより、各中間電極12の外縁長さの総延長を大きくして拡散電極11に流れる電流密度を小さくすることができ、電極の劣化を効果的に抑制することができる。
図7及び図8は本発明の実験例を示すものであり、複数の試料体を作製して得られたデータに基づいて作成したグラフである。試料体は前記実施形態と同様の層構成を有し、中間電極の面積を変化させるとともに中間電極の間隔を変化させて複数種類の試料体を作製した。具体的には4種類の発光素子を作製し、第1の発光素子は、拡散電極の総面積が578000μm、中間電極の直径が20μm、中間電極の単位寸法が27μm、中間電極から拡散電極の幅方向端部までの寸法が67μmとなっている。また、第2の発光素子は、拡散電極の総面積が578000μm、中間電極の直径が40μm、中間電極の単位寸法が37μm、中間電極から拡散電極の幅方向端部までの寸法が67μmとなっている。また、第3の発光素子は、拡散電極の総面積が578000μm、中間電極の直径が60μm、中間電極の単位寸法が55μm、中間電極から拡散電極の幅方向端部までの寸法が67μmとなっている。また、第4の発光素子は、拡散電極の総面積が578000μm、中間電極の直径が80μm、中間電極の単位寸法が110μm、中間電極から拡散電極の幅方向端部までの寸法が67μmとなっている。
図7は、横軸を中間電極の総面積とし、縦軸を発光素子から発せられた全ての光の放射束とし、試料体にて得られたデータをプロットしたグラフである。放射束の測定にあたっては、積分球を用いて、全方向の放射束を検出するようにした。また、第1から第4の発光素子には、350mAの電流を流して、放射束を測定した。図7に示すように、中間電極の面積が増大すると、全放射束が低下した。これにより、発光素子から取り出される光量を増大させるには、中間電極の面積を小さくすればよいことがわかる。尚、第1の発光素子は従来品と同程度の光量であり、第2から第4の発光素子は従来品よりも光量が増大した。従って、中間電極の直径を、20μm以上80μm未満とすることにより、光量が増大することが確認された。
図8は、横軸を拡散電極の総面積を中間電極の総面積で除した値とし、縦軸を発光に必要な順方向電圧とし、試料体にて得られたデータをプロットしたグラフである。図8に示すように、中間電極の単位面積あたりの拡散電極の面積が大きいと、順方向電圧が増大する。従って、順方向電圧を増大させないためには、中間電極1個あたりの面積を大きくしたり、中間電極の個数を多くすればよいことがわかる。
図9は本発明の実験例を示すものであり、複数の試料体を作製して得られたデータに基づいて作成したグラフである。試料体は前記実施形態と同様の層構成を有し、中間電極の面積を変化させるとともに中間電極の間隔を変化させて複数種類の試料体を作製した。具体的には3種類の発光素子を作製し、第5の発光素子は、拡散電極の総面積が578000μm、中間電極の面積が28μm、中間電極の単位寸法が110μm、中間電極から拡散電極の幅方向端部までの寸法が67μmとなっている。また、第6の発光素子は、拡散電極の総面積が578000μm、中間電極の直径が28μm、中間電極の単位寸法が55μm、中間電極から拡散電極の幅方向端部までの寸法が67μmとなっている。また、第7の発光素子は、拡散電極の総面積が578000μm、中間電極の直径が72μm、中間電極の単位寸法が110μm、中間電極から拡散電極の幅方向端部までの寸法が67μmとなっている。
図9は、横軸を順方向電圧とし、縦軸を発光素子から発せられた全ての光の放射束とし、試料体にて得られたデータをプロットしたグラフである。図9に示すように、第7の発光素子では光量が比較的小さくなるが、第5及び第6の発光素子では光量が比較的大きくなった。また、第5の発光素子では順方向電圧が比較的大きくなるが、第6の発光素子では順方向電圧が比較的小さくなった。従って、光量を比較的大きくし、順方向電圧を比較的小さくするには、第5から第7の発光素子の中では、第6の発光素子が好適であることがわかる。
尚、前記実施形態においては、p側電極の面積が大きいため、第1電極をp側電極とし第2電極をn側電極としたものを示したが、n側電極の面積が大きい場合は、第1電極をn側電極とし第2電極をp側電極とすればよい。この場合、p側電極のp側バンプの上端の高さがn側バンプよりも高くなる。
また、前記実施形態においては、III族窒化物半導体層を備えた発光素子を示したが、他の半導体層を備えたものであってもよい。
また、前記実施形態においては、p側電極10が5つの延在部11aを有するものを示したが、例えば図10に示すように延在部11aが3つであってもよく、延在部11aの数は任意である。また、n側電極20についても、形状、構造等を任意に変更することができる。図10の発光素子1では、中間電極12の単位寸法aは55μmであり、中間電極12から延在部11aの外縁までの寸法bは127μmである。
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の全ての組合せが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
図1は、本発明の一実施形態を示す発光素子の平面図である。 図2は、図1のA−A断面図である。 図3は、p側電極の一部上面図である。 図4は、発光素子の製造工程の一例を示し、(a)はn側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施される前の縦断面図、(b)はn側コンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施された後の縦断面図、(c)は拡散電極にマスクが形成された状態の縦断面図、(d)は拡散電極をエッチングした後の縦断面図である。 図5は、発光素子の製造工程の一例を示し、(a)はn側のオーミック電極を形成した後の縦断面図、(b)は中間電極を形成した後の縦断面図、(c)は反射部を形成した後の縦断面図である。 図6は、発光素子の製造工程の一例を示し、(a)は反射部の上に絶縁部を形成した後の縦断面図、(b)は絶縁部の一部に開口を形成した後の縦断面図、(c)は、接合電極を形成した後の縦断面図である。 図7は、横軸を中間電極の総面積とし、縦軸を発光素子から発せられた全ての光の放射束とし、試料体にて得られたデータをプロットしたグラフである。 図8は、横軸を拡散電極の総面積を中間電極の総面積で除した値とし、縦軸を素子の発光に必要な順方向電圧とし、試料体にて得られたデータをプロットしたグラフである。 図9は、横軸を順方向電圧とし、縦軸を発光素子から発せられた全ての光の放射束とし、試料体にて得られたデータをプロットしたグラフである。 図10は、変形例を示す発光素子の平面図である。
符号の説明
1 発光素子
10 p側電極
11 拡散電極
11a 延在部
12 中間電極
13 接合電極
20 n側電極
21 オーミック電極
22 接合電極
25 凹部
30 p側バンプ
40 n側バンプ
50 サファイア基板
60 バッファ層
61 n側コンタクト層
62 n側クラッド層
63 発光層
64 p側クラッド層
65 p側コンタクト層
70 絶縁部
71 開口
72 開口
80 反射部
100 マスク
102 マスク

Claims (4)

  1. 発光層へ電流を供給し、所定方向へ延びる長方形状の延在部を有する拡散電極と、
    前記拡散電極上に設けられ、前記延在部の幅方向中央に該延在部の長手方向に並べられ、互いの長手方向ピッチの半分の寸法前記延在部の外縁までの寸法と同じ若しくは短い複数の中間電極と、
    前記拡散電極上に形成される絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成され、前記中間電極を介して前記拡散電極へ電流を供給する接合電極と、を備え
    前記拡散電極がITOよりなる透明電極であるフリップチップ型発光素子。
  2. 前記拡散電極は、複数の前記延在部が該延在部の幅方向に並べられた平面視櫛歯状を呈する請求項1に記載のフリップチップ型発光素子。
  3. 前記中間電極は、直径が20μm以上80μm未満である平面視円形を呈する請求項2に記載のフリップチップ型発光素子。
  4. 前記aが前記bに等しい請求項1に記載のフリップチップ型発光素子。
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