JP5191837B2 - 半導体発光素子及び半導体発光装置 - Google Patents
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- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/17—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of a plurality of bump connectors
- H01L2224/1701—Structure
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Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図1に表したように、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子101は、n型半導体層(第1半導体層)1と、p型半導体層(第2半導体層)2と、n型半導体層1とp型半導体層2との間に設けられた発光層3と、を有する積層構造体1sと、積層構造体1sのp型半導体層2の側の第1主面1a上に設けられn型半導体層1に接続されたn側電極(第1電極)7と、積層構造体1sの第1主面1a上に設けられp型半導体層2に接続されたp側電極(第2電極)4と、を備える。
そして、半導体発光素子101の周辺部においては、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、矩形の対角線上の幅aの他、矩形の縦方向における幅a1及び矩形の横方向における幅a2を含むことができる。
図1に表したように、これらの半導体層の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによって、p型半導体層2及び発光層3を取り除く。露出したn型半導体層1を含む半導体層全体に、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)装置を用いて、図示しないSiO2膜を400nmの厚さで形成する。
すなわち、同図は、半導体発光素子の素子幅と電流注入領域幅との比と、光取り出し効率の関係を光線追跡によりシミュレーションした結果を例示している。
そして、同図(a)は、光線追跡シミュレーションに使用した半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。同図(b)は、シミュレーション結果を例示しており、横軸は、半導体発光素子の素子幅W1に対する電流注入領域幅Wxとの比R(すなわち、Wx/W1)を表し、縦軸は光取り出し効率Eを表している。なお、同図(a)では、半導体層は、発光層3を含む半導体層3aとして省略されて描かれている。
図2(a)に表したように、本シミュレーションでは半導体発光素子101の構造が左右対称であることから、上記の素子幅W1と電流注入領域幅Wxとは、それぞれ実際の幅の1/2とされている。また、基板10にはサファイアが用いられ、電流注入領域(第1膜4a)にはAg膜が用いられているとされた。
また、反射されずに半導体発光素子の外側へ取り出された光のみを、光取り出し効率として換算している。
そして、中心部において第2膜4bがp型半導体層2と接触している領域の幅bを、半導体発光素子101の周辺部において第2膜4bがp型半導体層2と接触している領域の幅a(幅a1及び幅a2も含め)よりも狭くすることで、オーミック接続特性が良好な第1膜4aを半導体発光素子101の中心部に配置することができる。
これにより、半導体発光素子101内における発光領域を中心部に配置できる。
本実施形態は、この光取り出し効率を高める技術である。
図3は、第1の比較例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図3に表したように、比較例の半導体発光素子90においては、p側電極4は、全てp型コンタクト層(p型半導体層2)に対してオーミック接続特性が良好な、Agからなる反射電極で構成されている。
p側電極4を形成するため、パターニングされたリフトオフ用レジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上のSiO2膜をフッ化アンモン処理で取り除く。SiO2膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて反射電極としてAgを200nmの膜厚で形成し、リフトオフ後に350℃の窒素雰囲気で1分間シンター処理を行う。
このため、光取り出し効率が低く、また、光出力の再現性が低い。
図4は、第2の比較例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図4に表したように、第2の比較例の半導体発光素子91においては、本実施形態に係る半導体発光素子101と同様に、p側電極4は、オーミック接続特性が良好な第1膜4aと、第1膜4aの縁部に接触しつつ、p型半導体層2の上に設けられた非オーミック接続特性を有する第2膜4bと、を有している。ただし、第2の比較例の半導体発光素子91の場合は、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、半導体発光素子91の周辺部と中心部とで同じである。
また、高純度第2AlNバッファ層は、表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープGaNバッファ層の欠陥が低減されるが、そのためには高純度第2AlNバッファ層の膜厚は、1μmよりも厚いことが好ましい。また、歪みによるそり防止のためには、高純度第2AlNバッファ層の厚みは4μm以下であることが望ましい。高純度第2AlNバッファ層は、AlNに限定されず、AlxGa1−xN(0.8≦x≦1)でも良く、ウェーハのそりを補償することができる。
通常の金属単層膜の可視光帯域に対する反射効率は、400nm以下の紫外域では波長が短くなるほど低下する傾向にあるが、銀は370nm以上400nm以下の紫外帯域の光に対しても高い反射効率特性を有する。そのため、紫外発光の半導体発光素子で、且つ第1膜4aに用いられる金属膜が銀合金の場合、p型コンタクト層に対向する側の金属膜は銀の成分比が大きい方が望ましい。
(第1の変形例)
半導体発光素子101においては、第1膜4aとして厚さ200nmのAg膜が用いられていたが、第1の変形例では、第1膜4aとして、厚さ200nmのAg/Ptからなる積層膜が用いられる。
また、本実施形態に係る半導体発光素子101の第2の変形例では、素子化工程においてレーザスクライバ装置を用いて、素子化される。
また、本実施形態に係る半導体発光素子101の第3の変形例では、n側電極7として、厚さ200nmのAg/Pt膜が採用される。
まず、第1膜4aとn側電極7とを形成するため、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上及びn型コンタクト層の上のSiO2膜をフッ化アンモン処理で取り除く。SiO2膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いてAg/Ptを200nmの膜厚で形成し、650℃の窒素雰囲気で1分間シンター処理を行う。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図5に表したように、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子102においては、p側電極4は、第2膜4bから露出した第1膜4aの少なくとも一部と、第2膜4bの少なくとも一部と、を覆うように設けられた第3膜4cをさらに有する。第3膜4cは、例えば金属からなる。それ以外は、第1の実施形態に係る半導体発光素子101と同等とすることができるので説明を省略する。
また、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、n側電極7とp側電極4とが対向する部分よりも、n側電極7とp側電極4とが対向する部分以外の部分、すなわち、例えば、半導体発光素子102の周辺部、の方が長い。
そして、第2膜4bがp型半導体層2と接触している領域の幅は、半導体発光素子102の周辺部よりも中心部の方が狭い。
図6は、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図6に表したように、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子103においても、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、前記半導体発光素子の周辺部よりも中心部の方が短い。
また、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、n側電極7とp側電極4とが対向する部分よりも、n側電極7とp側電極4とが対向する部分以外の部分、すなわち、例えば、半導体発光素子103の周辺部、の方が長い。
そして、第2膜4bがp型半導体層2と接触している領域の幅は、半導体発光素子103の周辺部よりも中心部の方が狭い。
すなわち、第1膜4aを形成した後に、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを、第1膜4aが形成された領域に形成する。その後、第4膜4dとして、例えばW/Pt積層膜を6層分だけ積層する。(W/Pt)を6層積層した全体の厚さは、例えば900nmとされる。
図7は、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図7に表したように、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子104においても、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、前記半導体発光素子の周辺部よりも中心部の方が短い。
また、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、n側電極7とp側電極4とが対向する部分よりも、n側電極7とp側電極4とが対向する部分以外の部分、すなわち、例えば、半導体発光素子104の周辺部、の方が長い。
すなわち、p側電極4を形成するため、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上のSiO2膜(誘電体膜)11aをフッ化アンモン処理で取り除く。SiO2膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて第1膜4aとなるAgを200nmの膜厚で形成し、350℃の窒素雰囲気で1分間シンター処理を行う。
図8は、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図8に表したように、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子105においては、第4の実施形態に係る半導体発光素子104において、発光層3を挟む半導体層断面がテーパを有し、誘電体膜11aと第2膜4bとが、このテーパ部分を斜めに被覆している。それ以外は、第4の実施形態に係る半導体発光素子104と同等とすることができるので説明を省略する。
また、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、n側電極7とp側電極4とが対向する部分よりも、n側電極7とp側電極4とが対向する部分以外の部分、すなわち、例えば、半導体発光素子105の周辺部、の方が長い。
図9は、本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図9に表したように、本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子106においては、第4の実施形態に係る半導体発光素子104において、第2膜4bに覆われる領域の誘電体膜11aの膜厚が、第2膜4bから露出している領域の誘電体膜11aの膜厚よりも薄いことが異なっている。それ以外は、第4の実施形態に係る半導体発光素子104と同等とすることができるので説明を省略する。
また、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、n側電極7とp側電極4とが対向する部分よりも、n側電極7とp側電極4とが対向する部分以外の部分、すなわち、例えば、半導体発光素子106の周辺部、の方が長い。
p側電極4を形成するため、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上の、誘電体膜11aとなるSiO2膜をフッ化アンモン処理で取り除く。SiO2膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて第1膜4aAgを200nmの膜厚で形成し、350℃の窒素雰囲気で1分間シンター処理を行う。
図10は、本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。なお、同図(b)においては、第3膜4cは省略されている。
図10に表したように、本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子107においては、第5の実施形態に係る半導体発光素子105と比べて、p型コンタクト層(すなわち、p型半導体層2)の面積を相対的に小さくしたものである。それ以外は、第5の実施形態に係る半導体発光素子105と同等とすることができるので説明を省略する。
また、第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、n側電極7とp側電極4とが対向する部分よりも、n側電極7とp側電極4とが対向する部分以外の部分、すなわち、例えば、半導体発光素子107の周辺部、の方が長い。
図11は、本発明の第8の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図11に表したように、本発明の第8の実施形態に係る半導体発光素子108においては、n側電極7がp側電極4を取り囲むように設けられている。また、半導体発光素子108の素子の大きさは1000μm四方であり、素子の厚さは100μmである。
図12は、本発明の第9の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図12に表したように、本発明の第9の実施形態に係る半導体発光素子109においては、n側電極7がp側電極4を取り囲むように設けられ、さらに、n側電極7が半導体発光素子109の中央部にも設けられている。
そして、周辺部における第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、辺部における幅aであり、中心部における第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、コーナー部における幅bである。そして、幅bは、幅aよりも狭くなっている。
図13は、本発明の第10の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図13に表したように、本発明の第10の実施形態に係る半導体発光素子110においては、n側電極7がp側電極4を取り囲むように設けられ、さらに、n側電極7が半導体発光素子110の中央部にも設けられている。そして、半導体発光素子110の中央部に形成したn側電極7の周辺の領域にも、第2膜4bが設けられている。
すなわち、半導体発光素子110においても、n側電極7がp側電極4を取り囲むように設けられ、そしてn側電極7は、コーナー部では、辺部に比べて幅が広くなっている。そして、第2膜4bの縁端は、半導体発光素子110の辺部よりも、コーナー部において、半導体発光素子110の中心部側に位置している。
そして、周辺部における第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、辺部における幅aであり、中心部における第2膜4bの外側の縁端から第1膜4aまでの距離は、コーナー部における幅bである。そして、幅bは、幅aよりも狭くなっている。
なお、本具体例では、中央部に設けられたn側電極7とp側電極4とが対向する部分の幅cは、中心部の幅bよりも小さいが、幅cは、少なくとも周辺部の幅aよりも小さければ良い。
図14は、本発明の第11の実施形態に係る半導体発光装置の構成を例示する模式的断面図である。
図14に表したように、本発明の第11の実施形態に係る半導体発光装置201は、上記の実施形態に係る半導体発光素子101〜110のいずれかと、蛍光体と、を組み合わせた白色LEDである。すなわち、本実施形態に係る半導体発光装置201は、上記のいずれかの半導体発光素子と、前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する蛍光体と、を備える。
なお、以下では、上記の半導体発光素子101と、蛍光体と、を組み合わせた場合として説明する。
赤色蛍光体としては、例えばY2O3、YVO4、Y2(P,V)O4等を母材として用いることができ、これに3価のEu(Eu3+)を付活物質として含ませる。すなわち、Y2O3:Eu3+、YVO4:Eu3+等を赤色蛍光体として用いることができる。Eu3+の濃度は、モル濃度で1%〜10%とすることができる。赤色蛍光体の母材としては、Y2O3、YVO4の他に、LaOSやY2(P, V)O4等を用いることができる。また、Eu3+の他にMn4+等を利用することもできる。特に、YVO4母体に、3価のEuと共に少量のBiを添加することにより、380nmの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。
緑色蛍光体としては、例えば3価のTbを発光中心とするY2SiO5:Ce3+,Tb3+を用いることができる。この場合、CeイオンからTbイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。緑色蛍光体としては、例えば、Sr4Al14O25:Eu2+等を用いることができる。
黄色蛍光体としては、例えばY3Al5:Ce3+等を用いることができる。
また、樹脂として、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。
特に、3価のTbは、視感度が最大となる550nm付近に鋭い発光を示すので、3価のEuの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
また、第2蛍光体層212に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が、効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。
これらの混色として、白色光やその他様々な色の光を、高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
なお、半導体発光素子101を作製する工程は、既に説明した方法を用いることができるので、以下では、半導体発光素子101が出来上がった後の工程について説明する。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
1a 第1主面
1b 第2主面
1s 積層構造体
2 p型半導体層(第2半導体層)
3 発光層
3a 半導体層
4 p側電極(第2電極)
4a 第1膜
4b 第2膜
4c 第3膜
4d 第4膜
7 n側電極(第1電極)
10 基板
11a 誘電体膜
22 容器
23 反射膜
24 サブマウント
25 金バンプ
26 ボンディングワイヤ
27 蓋部
90、91、101〜110 半導体発光素子
201 半導体発光装置
211、212 蛍光体層
Claims (18)
- 第1半導体層と、第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する積層構造体と、
前記積層構造体の前記第2半導体層の側の第1主面上に設けられ前記第1半導体層に接続された第1電極と、
前記積層構造体の前記第1主面上に設けられ前記第2半導体層に接続された第2電極と、
を備え、
前記第2電極は、
前記第2半導体層の上に設けられ、前記第2半導体層に対する接触抵抗が相対的に低い第1膜と、
前記第2半導体層の上において前記第1膜の周縁に設けられ、前記第2半導体層に対する接触抵抗が相対的に高く反射特性を有する第2膜と、
を有し、
前記第2膜の外側の縁端から前記第1膜までの距離は、前記第1主面の周辺部よりも中心部において小さく、
前記第2膜の外側の縁端から前記第1膜までの距離は、前記第1電極と前記第2電極とが対向する部分よりも、前記第1電極と前記第2電極とが対向する前記部分以外の部分において大きいことを特徴とする半導体発光素子。 - 第1半導体層と、第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有する積層構造体と、
前記積層構造体の前記第2半導体層の側の第1主面上に設けられ前記第1半導体層に接続された第1電極と、
前記積層構造体の前記第1主面上に設けられ前記第2半導体層に接続された第2電極と、
を備え、
前記第2電極は、
前記第2半導体層の上に設けられ、前記第2半導体層に対する接触抵抗が相対的に低い第1膜と、
前記第2半導体層の上において前記第1膜の周縁に設けられ、前記第2半導体層に対する接触抵抗が相対的に高く反射特性を有する第2膜と、
を有し、
前記第2膜の外側の縁端から前記第1膜までの距離は、前記第1電極と前記第2電極とが対向する部分よりも、前記第1電極と前記第2電極とが対向する前記部分以外の部分において大きく、
前記第2膜が前記第2半導体層と接触している領域の幅は、前記第1主面の周辺部よりも中心部において狭いことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第2電極は、前記第1主面の中央部を除いた領域に設けられ、
前記第1電極は、前記第2電極を取り囲みつつ、前記第2側電極が設けられていない前記中央部に設けられ、
前記第2膜の外側の縁端から前記第1膜までの距離は、前記第1主面の周辺部よりも、前記中央部の方が短いことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。 - 前記第1膜は、前記第2半導体層に対してオーミック性を示し、前記第2膜は、前記第2半導体層に対して非オーミック性を示すことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1膜は、銀または銀合金を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2膜は、AlまたはAl合金を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2電極は、前記第1膜の少なくとも一部と、前記第2膜の少なくとも一部と、を覆うように設けられ、前記第1膜の大気中への暴露、及び、前記第2膜のエレクトロマイグレーションの少なくともいずれかを防止する第3膜をさらに有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第3膜は、前記第1膜及び前記第2膜の全てを覆うことを特徴とする請求項7記載の半導体発光素子。
- 前記第3膜は、前記第2半導体層と直接接触していないことを特徴とする請求項7または8に記載の半導体発光素子。
- 前記第3膜は、銀を含まないことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2電極は、前記第3膜と前記第1膜との間、及び、前記第2膜と前記第1膜との間、の少なくともいずれかに設けられ、前記第2膜及び前記第3膜の少なくともいずれかに含まれる材料が前記第1膜へ拡散すること、及び、前記第2膜及び前記第3膜の少なくともいずれかに含まれる材料と、前記第1膜に含まれる材料と、が反応すること、を防ぐ第4膜を有することを特徴とする請求項7〜10のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第4膜は、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)及び白金(Pt)よりなる群から選択された少なくとも1つを含む単層膜または積層膜を含むことを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子。
- 前記発光層の発光波長のピーク発光波長は、370nmから400nmの範囲にあることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられた井戸層と、を有し、
前記複数の障壁層のうち前記第2半導体層に最も近い障壁層は、前記第2半導体層の側における不純物の濃度が前記発光層の側における不純物の濃度よりも低い不純物濃度分布を有することを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記積層構造体は、前記第1主面とは反対側の第2主面の側に設けられたサファイアからなる基板をさらに有することを特徴とする請求項1〜14のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記積層構造体は、前記基板と前記第1半導体層との間に設けられた単結晶の窒化アルミニウム層をさらに有することを特徴とする請求項15記載の半導体発光素子。
- 前記窒化アルミニウム層の前記基板の側には、炭素の濃度が相対的に高い部分が設けられていることを特徴とする請求項16記載の半導体発光素子。
- 請求項1〜17のいずれか1つに記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する蛍光体と、
を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
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