JP5223102B2 - フリップチップ型発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、III 族窒化物半導体で構成されたフリップチップ型発光素子に関するものであり、特に、電極の形状に特徴を有するものである。

近年、III 族窒化物半導体で構成されたフリップチップ型発光素子においては、発光層へ均一に電流を流して発光むらを抑制するためにさまざまな技術が取り入れられている。

たとえば、発光層への電流拡散性を向上させる技術として、ｎ層を櫛歯状に露出させ、その露出部にｎ型コンタクト電極を設ける技術が特許文献１、２に示されている。また、ｐ層表面の全面に透光性電極を設け、パッド電極からｐ層への電流を透光性電極によって拡散させる技術が特許文献２、３に示されている。また、ｐ電極上に複数のパッド電極を設け、パッド電極からｐ電極への電流の拡散性を向上させる技術が特許文献１、３に示されている。

また、III 族窒化物半導体層表面を覆う絶縁性保護膜中に金属膜を設けて反射率を高める技術が特許文献４に示されている。
特開２００１−２０３３８６ 特表２００３−５２４２９５ 特開２００５−１９７２８９ 特開平１１−３４０５１４

しかし、ｐ層表面に透光性電極を有し、透光性電極上に複数のパッド電極を有したフリップチップ型発光素子では、パッド電極の面積が小さいために、パッド電極と透光性電極との接触部に電流が集中し、透光性電極を劣化させてしまうという問題がある。

そこで本発明の目的は、透光性電極の劣化が抑制されたフリップチップ型発光素子を実現することである。

第１の発明は、ｎ層、ｐ層、およびｎ層とｐ層の間に形成された活性層からなるIII 族窒化物半導体層と、櫛歯状に露出したｎ層と、ｎ層上に設けられたｎ型コンタクト電極と、ｐ層上に設けられた透光性電極と、透光性電極上に設けられた複数のパッド電極と、パッド電極の一部、透光性電極、およびｎ層の露出面を覆う絶縁性保護膜と、透光性電極の上部であって、絶縁性保護膜の中に設けられ、活性層から放射された光をｎ層側に反射する反射膜と、を有したフリップチップ型の発光素子において、各々のパッド電極は、絶縁性保護膜で覆われていない根元部と、該根元部から連続して突出してパッド電極の外周の長さを拡大させるよう形成され、絶縁性保護膜により覆われている枝部と、を有し、パッド電極の枝部は、反射膜の下方に延設されており、複数のパッド電極は、透光性電極上に枝部によって互いに接続されずに独立して平面的に配列され、フリップチップ型発光素子は、絶縁性保護膜上に設けられ、パッド電極に共通して接続し、各々のパッド電極に電流を流す接合電極をさらに有することを特徴とするフリップチップ型発光素子である。

III 族窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものである。一般的には、主要な層はＧａとＮを必須成分とする半導体で構成されている。ｎ型不純物としては、Ｓｉなどを用い、ｐ型不純物としてはＭｇなどを用いる。ｎ層、ｐ層は単層であってもよいし、複層であってもよく、超格子層を含んでいてもよい。たとえば、ｎ層はｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層で構成され、ｐ層はｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層で構成される。活性層は、ＭＱＷやＳＱＷなどの構造である。

透光性電極には、ＩＴＯ、ＺｎＯなどを用い、絶縁性保護膜にはＳｉＯ₂ などを用いる。また、パッド電極は、複数の金属層からなる多層膜であってもよく、ＮｉやＮｉ合金を用いるのが望ましい。Ｎｉは透光性電極との接触性がよいためである。たとえば、パッド電極として、Ｎｉ／Ａｕ／Ａｌなどを用いる。なお、ここで言う透光性とは、発光素子の発光波長を透過することを意味するものである。反射膜には、ＡｇやＡｌなどの高反射な金属を用いることができる。

III 族窒化物半導体層は、サファイアなどの成長基板上にＭＯＣＶＤ法などによって形成するが、本発明のフリップチップ型発光素子においては、成長基板はあってもよいし、レーザーリフトオフなどによって成長基板が除去されていてもよい。

パッド電極の枝部の形状は、凹凸を有した形状であればどのような形状でもかまわないが、線対称性などの対称性を有した形状であるほうが形成が容易である。凹凸を有した形状は、たとえば、パッド電極の根元部から線状の枝が放射状や十字型に突出した形状などである。各パッド電極は、枝部によって互いに接続していてもよい。

第２の発明は、第１の発明において、枝部は、根元部から突出した線状形状に形成されていることを特徴とするフリップチップ型発光素子である。

第３の発明は、第２の発明において、枝部は、根元部から十字型に突出した線状形状に形成されていることを特徴とするフリップチップ型発光素子である。

第４の発明は、第２の発明または第３の発明において、枝部は、線状形状に対して、さらに、枝分かれした線状形状を有することを特徴とするフリップチップ型発光素子である。

突出した枝部すべてがさらに枝分かれしている必要はなく、たとえば、パッド電極同士を接続する枝部のみがさらに枝分かれした形状であってもよい。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、透光性電極は、ＩＴＯからなることを特徴とするフリップチップ型発光素子である。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、パッド電極と接合電極との間に、バリア層を有することを特徴とするフリップチップ型発光素子である。

フリップチップ型発光素子の動作時において、電流は、パッド電極と透光性電極との接合面全体に分散して流れるのではなく、接合面の外周である辺部分に集中して流れる。そこで第１の発明のように、パッド電極の平面形状を凹凸を有した形状とすることで、接合面の面積を、従来の円形のパッド電極の面積よりも大きくすることなく（つまり、発光素子の光度を減少させることなく）外周を長くすることができ、電流を分散させ、辺部分の電流密度を低減させることができる。その結果、従来と同様の光度を維持しつつ、透光性電極の劣化を防止することができる。また、透光性電極の劣化が防止されることにより、Ｖｆの上昇を抑えることができる。

凹凸を有した形状としては、第２の発明のように根元部から突出した線状形状の枝部を有する形状や、第３の発明のように根元部から十字型に突出した線状形状の枝部を有する形状、を用いることができる。また、第４の発明のように、枝がさらに枝分かれした形状であると、外周がさらに長くなるため、より電流を分散させることができる。

また、第１の発明のように、パッド電極の枝部は絶縁性保護膜に覆われているため、パッド電極の枝部上方にまで反射膜を設けることができる。

また第５の発明のように、透光性電極としてＩＴＯを用いることができる。

以下、本発明の具体的な実施例を図を参照にしながら説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のフリップチップ型発光素子の構造を示す平面図である。また図２は、図１におけるＡ−Ａ’の断面図である。また図３は、図２のＢ部を拡大した図である。

フリップチップ型発光素子は、主として、サファイア基板１０上にバッファ層（図示しない）を介して形成されたIII 族窒化物半導体層（ｎ層１１、活性層１２、ｐ層１３）と、それに接続する電極（ｎ型コンタクト電極１４、透光性電極１５、パッド電極１６）とにより構成されている。

III 族窒化物半導体層は、ｎ層１１、活性層１２、ｐ層１３が順に積層された構造である。ｎ層１１は、ＧａＮからなる高濃度にＳｉがドープされたｎ型コンタクト層、ＧａＮからなるｎクラッド層が順に積層された構造であり、ｐ層１３は、ＡｌＧａＮからなるＭｇがドープされたｐクラッド層、ＧａＮからなるＭｇがドープされたｐコンタクト層が順に積層された構造である。活性層１２はＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。

活性層１２およびｐ層１３は一部がエッチングされていて、ｎ層１１のｎ型コンタクト層が櫛歯状に露出している。その露出したｎ層１１上には、ｎ型コンタクト電極１４が形成されている。

ｐ層１３上面の全面にわたってＩＴＯからなる透光性電極１５が形成され、透光性電極１５上には所定の間隔で平面的に配列された２０個のパッド電極１６が形成されている。透光性電極１５の膜厚は３００ｎｍである。この透光性電極１５の面積は、フリップチップ型発光素子の面積の約５８％である。パッド電極１６はＮｉ／Ａｕ／Ａｌの３層構造であり、膜厚は、Ｎｉが４０ｎｍ、Ａｕが１００ｎｍ、Ａｌが１０ｎｍである。Ｎｉを用いるのはＩＴＯとの接触性がよいからである。

パッド電極１６の平面形状は、円形の中心部１６ａ（本発明の根元部）から十字型に突出した４本の枝１６ｂ（本発明の枝部）を有した形状であり、隣接するパッド電極１６同士が枝１６ｂによって互いに接続していて、全体としてはｐ層１３の平面形状に沿って櫛歯状に接続している。また、パッド電極１６同士を接続する枝１６ｂは、その枝１６ｂの中央部でさらに枝分かれして２本の枝１６ｃを有している。パッド電極の円形の中心部１６ａの直径は２８μｍで、枝１６ｂ、ｃの幅は５μｍである。パッド電極１６全体の面積は、フリップチップ型発光素子の面積の約８％である。

III 族窒化物半導体層（ｎ層１１、活性層１２、ｐ層１３）は、ｎ型コンタクト電極１４表面およびパッド電極１６の円形の中心部１６ａを除いて、ＳｉＯ₂ からなる絶縁性保護膜１７によって覆われている。絶縁性保護膜１７中にはＡｌからなる反射膜１８が形成されている。反射膜１８は、反射率を高め、光取り出し効率を向上させるためのものである。反射膜１８として、Ａｌの他にはＡｇなどの高反射な金属も用いることができる。

このフリップチップ型発光素子は、パッド電極１６、ｎコンタクト電極１４上にＴｉ／Ｎｉが２回繰り返して形成された多層膜であるバリア層１９が形成され、バリア層１９上にＡｕ−Ｓｎからなる接合電極２０が形成され、接合電極２０を介して配線基板と接合する。

実施例１のフリップチップ型発光素子を動作させると、電流は接合電極２０からパッド電極１６、透光性電極１５、ｐ層１３へと流れる。パッド電極１６から透光性電極１５へと電流が流れるとき、電流はパッド電極１６の平面方向全体に分散して透光性電極１５へと流れるのではなく、パッド電極１６の外周である辺部分１６ｄに集中して、パッド電極１６と透光性電極１５の接合面における輪郭線から透光性電極１５へと流れる。ここでパッド電極１６は４本の枝１６ｂ、２本の枝１６ｃを有している。そのため、パッド電極１６の外周である辺部分１６ｄは、枝１６ｂ、ｃの突出により、単に同じ面積の円形のパッド電極の外周よりも長くなっている。したがって、パッド電極１６の面積は、従来の円形パッド電極を用いた場合と同一の面積でありながら、外周は円形パッド電極よりも長くなり、透光性電極１５へ流れ込む電流を分散させ、辺部分１６ｄの電流密度を低減することができる。つまり、円形パッド電極を用いた場合と同様の光度を維持しつつ、電流の分散により透光性電極１５の劣化を抑えることができる。また、透光性電極１５の劣化が抑制されるために、Ｖｆの上昇が抑制される。

また、パッド電極１６の中心部１６ａの表面は、絶縁性保護膜１７によって覆われないが、パッド電極１６の枝１６ｂ、ｃの表面は絶縁性保護膜１７によって覆われる。そのため、実施例１のフリップチップ型発光素子では、パッド電極１６の枝１６ｂ、ｃの上方にも反射膜１８を設置することができる。つまり、従来の、単に円形のパッド電極を用いた場合よりも、反射膜１８の面積を広くとることができる。

以上のように、実施例１のフリップチップ型発光素子は、従来の円形パッド電極のフリップチップ型発光素子と同様の光度でありながら、透光性電極の劣化が抑制されたフリップチップ型発光素子である。

実施例では、パッド電極の平面形状は、円形の中心部から十字型に突出した枝を有した形状としているが、本発明はこのような形状に限るものではなく、根元部から連続して凹凸に形成された枝部を有した形状であればどのような形状でもかまわない。また、各パッド電極は枝によって互いに接続しているが、接続している必要はない。たとえば、図４のように、各パッド電極２６は中心部２６ａから突出した４本の枝２６ｂを有し、各パッド電極２６は独立していて、パッド電極２６同士は枝２６ｂによっては接続していない形状であってもよい。また、図５のように、パッド電極３６は中心部３６ａから放射状に突出した８本の枝３６ｂを有し、各パッド電極３６が独立した形状であってもよい。さらに、図６のように、パッド電極３６同士が枝３６ｂによって接続し、その接続する枝３６ｂ中心でさらに枝分かれして枝３６ｃを有する形状であってもよい。

また、実施例では透光性電極としてＩＴＯを用いているが、ＺｎＯなども用いることができる。

また、実施例のフリップチップ型発光素子は、成長基板であるサファイア基板を有しているが、レーザーリフトオフなどによって成長基板が除去されていてもよい。成長基板の除去によって露出するIII 族窒化物半導体層は、凹凸加工などによって光取り出し効率を上昇させることができる。

本発明は、照明装置などに用いることができる。

実施例１のフリップチップ型発光素子の平面図。 実施例１のフリップチップ型発光素子の断面図。 図２のＢ部を拡大した図。 本発明の他のパッド電極の形状を示す図。 本発明の他のパッド電極の形状を示す図。 本発明の他のパッド電極の形状を示す図。

１０：サファイア基板
１１：ｎ層
１２：活性層
１３：ｐ層
１４：ｎ型コンタクト電極
１５：透光性電極
１６、２６、３６：パッド電極
１６ａ、２６ａ、３６ａ：パッド電極の円形の中心部
１６ｂ、１６ｃ、２６ｂ、３６ｂ、３６ｃ：パッド電極の枝
１６ｄ：パッド電極１６の外周である辺部分
１７：絶縁性保護膜
１８：反射膜
１９：バリア層
２０：接合電極

Claims (6)

1. ｎ層、ｐ層、およびｎ層とｐ層の間に形成された活性層からなるIII 族窒化物半導体層と、櫛歯状に露出した前記ｎ層と、前記ｎ層上に設けられたｎ型コンタクト電極と、前記ｐ層上に設けられた透光性電極と、前記透光性電極上に設けられた複数のパッド電極と、前記パッド電極の一部、前記透光性電極、および前記ｎ層の露出面を覆う絶縁性保護膜と、前記透光性電極の上部であって、前記絶縁性保護膜の中に設けられ、前記活性層から放射された光を前記ｎ層側に反射する反射膜と、を有したフリップチップ型発光素子において、
   各々の前記パッド電極は、
   前記絶縁性保護膜で覆われていない根元部と、
   該根元部から連続して突出して前記パッド電極の外周の長さを拡大させるよう形成され、前記絶縁性保護膜により覆われている枝部と、を有し、
   前記パッド電極の枝部は、前記反射膜の下方に延設されており、
   複数の前記パッド電極は、前記透光性電極上に前記枝部によって互いに接続されずに独立して平面的に配列され、
   前記発光素子は、
   前記絶縁性保護膜上に設けられ、前記パッド電極に共通して接続し、各々の前記パッド電極に電流を流す接合電極をさらに有することを特徴とするフリップチップ型発光素子。
2. 前記枝部は、前記根元部から突出した線状形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフリップチップ型発光素子。
3. 前記枝部は、前記根元部から十字型に突出した線状形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のフリップチップ型発光素子。
4. 前記枝部は、前記線状形状に対して、さらに、枝分かれした線状形状を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のフリップチップ型発光素子。
5. 前記透光性電極は、ＩＴＯからなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のフリップチップ型発光素子。
6. 前記パッド電極と前記接合電極との間に、バリア層を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のフリップチップ型発光素子。

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