JP5256101B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体発光素子に関するものであって、電極の配置構造を変更し、高電流動作が可能で、且つ発光効率の高い半導体発光素子に関するものである。
半導体発光素子は、素子内に含まれている物質が光を発する素子であって、例えば、ＬＥＤのようにダイオードを用いて半導体を接合した形態で電子／正孔の再結合によるエネルギーを光に変換して放出する素子である。このような半導体発光素子は現在、照明、表示装置及び光源として広く用いられるようになってきており、その開発は加速化している傾向にある。
このような半導体接合発光素子の構造は、ｐ型半導体及びｎ型半導体の接合構造であることが一般的である。半導体接合構造では、両半導体の接合領域において電子／正孔の再結合による発光がありえるが、該発光をより活性化させるために、両半導体間に活性層を備えることもできる。このような半導体接合発光素子は、半導体層のための電極の位置によって垂直型構造及び水平型構造があり、水平型構造には成長型（ｅｐｉ−ｕｐ）及びフリップチップ型（ｆｌｉｐ−ｃｈｉｐ）がある。
図１は、従来の水平型半導体発光素子の断面図であり、図２は、従来の垂直型半導体発光素子の断面図である。以下では説明の便宜上、図１及び図２において基板と接触する半導体層がｎ型半導体層であり、活性層上に設けられる半導体層がｐ型半導体層と仮定して説明することにする。
まず、図１を参照して、水平型半導体発光素子を説明する。水平型半導体発光素子である半導体発光素子１は、不導電性基板１３、ｎ型半導体層１２、活性層１１及びｐ型半導体層１０を備える。ｎ型半導体層１２にはｎ型電極１５が、ｐ型半導体層１０側にはｐ型電極１４が設けられており、電圧などの印加のために外部電源（図示せず）と電気的に接続されている。
各々の電極１４、１５を介して半導体発光素子１に電圧が印加されれば、ｎ型半導体層１２から電子が移動し、ｐ型半導体層１０から正孔が移動して、電子及び正孔の再結合によって発光が生じる。半導体発光素子１は活性層１１を備え、発光は該活性層１１で発生する。活性層１１においては半導体発光素子１の発光が活性化され、発光する。電気的接続のために、ｎ型半導体層１２にはｎ型電極が、ｐ型半導体層１０にはｐ型電極が接触抵抗値を最小にして位置している。
基板の種類によって電極の位置が変わることがあるが、例えば、同図のように不導電性基板１３が不導電性基板であるサファイア基板の場合、ｎ型半導体層１２の電極は不導電性基板１３上に設けられ、ｎ型半導体層１２上に設けられなければならない。
そのため、ｎ型半導体層１２上にｎ型電極１５が設けられる時、オーミック接触部位の形成を理由として上部のｐ型半導体層１０及び活性層１１が消耗したことを分かる。このような電極形成によって半導体発光素子１の発光面積は減少するようになり、それによって発光効率も減少するようになる。
このような課題を含め、他のいくつかの課題を克服するために、不導電性基板でなく導電性基板を用いる半導体発光素子が示されていた。
図２に示す発光素子２は垂直型半導体発光素子であって、導電性基板２３を用いて基板上にｎ型電極２５を設けることができる。または、図２では、導電性基板２３上にｎ型電極を設けたが、不導電性基板を用いて半導体層を成長させた後、基板を除去し、ｎ型半導体層上に直接ｎ型電極を設けて垂直型発光素子を製造することができる。
導電性基板２３を用いると、導電性基板２３を介してｎ型半導体層２２への電圧の印加が可能なので、基板自体に電極を設けることができる。
従って、図２でのように導電性基板２３上にｎ型電極２５が設けられ、ｐ型半導体層２０上にｐ型電極２４が設けられ、垂直構造型の半導体発光素子が製造される。
しかしながら、この場合、特に高出力のための大面積発光素子を製造する場合、電流分散のために電極の基板への面積の比率が高いことが要求される。それによって、光取出しの制限及び光吸収による光損失及び発光効率の減少をもたらすという短所があった。
図１及び図２を参照して説明した水平型半導体発光素子及び垂直型半導体発光素子は、各々半導体発光素子の発光面積が減少するようになり、それによって発光効率も減少するようになる問題、及び光取出しの制限及び光吸収による光損失及び発光効率の減少をもたらすという問題がある。
そのため、前述したような従来の半導体発光素子の有する問題を解決する、新たな構造の半導体発光素子を開発することが緊急に求められているのが実情である。
従って、本発明の目的は、新たな構造の半導体発光素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、発光効率の高い半導体発光素子を提供することにある。また、本発明のさらに他の目的は、高電流半導体発光素子を提供することにある。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様による半導体発光素子は、導電性基板、第１の電極層、絶縁層、第２の電極層、第２の半導体層、活性層及び第１の半導体層が順に積層されて構成され、前記第２の電極層は、前記第２の半導体層との界面をなす表面の一部が露出する領域を一つ以上備え、前記第１の電極層は、前記第２の電極層、前記第２の半導体層及び前記活性層を貫通し、前記第１の半導体層の一定領域まで貫通する複数個のコンタクトホールを介して前記第１の半導体層の一定領域まで延びて前記第１の半導体層と電気的に接続されるように設けられ、前記絶縁層は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間及び前記コンタクトホールの側面に設けられ、前記第１の電極層と、前記第２の電極層、前記第２の半導体層及び前記活性層とを絶縁し、前記第１の電極層と第１の半導体層とが接触する面積が、前記半導体発光素子の面積の３〜１３％になり、前記第２の電極層の露出された領域が、前記半導体発光素子の角及びその近傍のみに設けられ、前記複数のコンタクトホールの側面は、前記導電性基板の上面に対して前記第１の半導体層に向かって傾斜している。
また、前記コンタクトホールが、均一に配置されることができる。また、前記コンタクトホールは、５〜５０個であることが望ましい。また、前記半導体発光素子の面積１００００００μｍ２当たり、前記第１の電極層と半導体層とが接触する面積が、３００００μｍ２〜１３００００μｍ２であることが望ましい。
また、前記コンタクトホールにおける相隣接するコンタクトホールの中心点間の距離は、１００μｍ〜４００μｍであることが望ましい。
前記第２の電極層の露出された領域上に設けられた電極パッド部を、更に含むことができる。また、前記第２の電極層が、前記活性層から発せられた光を反射させることができる。また、前記第２の電極層が、Ａｇ、Ａｌ及びＰｔのうちのいずれか一つの金属を含むことができる。
また、前記導電性基板が、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＷのうちのいずれか一つの金属を含む金属性基板であることが望ましい。また、前記導電性基板が、Ｓｉ、Ｇｅ及びＧａＡｓのうちのいずれか一つを含む半導体基板であることが望ましい。
従って、本発明の半導体発光素子によれば、第１の電極を発光面上に一部設け、残りの一部は活性層の下部に配置することによって、発光面積を最大に確保することができる。
また、該発光面上に配置された電極を均一に配置することによって、高い動作電流を印加しでも電流を安定して分散することができる。
また、電流を均一に分布することが可能で、高電流動作で電流集中現象を緩和し、信頼性を向上させることができる。
図１は、従来の水平型半導体発光素子を示す図である。 図２は、従来の垂直型半導体発光素子の断面図である。 図３は、本発明の一実施の形態による半導体発光素子を示す平面図である。 図４は、本発明の一実施の形態による半導体発光素子を示す断面図である。 図５は、面積が１０００×１０００μｍ２の半導体発光素子のｎ型オーミック接触抵抗及びｐ型オーミック接触抵抗を示すグラフである。 図６は、第１の半導体層と第１の電極層とが接触する接触面積による第１の接触抵抗と第２の接触抵抗との総抵抗を示すグラフである。 図７は、第１の半導体層と第１の電極層との接触面積による発光効率を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態を、添付の半導体発光素子の図面を参考にして詳細に説明する。ここで示される実施の形態は、当業者に対して本発明の思想が十分に伝達され得るようにするために例を挙げて説明したものである。従って、本発明は以下に説明される実施の形態に限定されることなく、他の形態によっても具体化され得る。そして、各図における装置の大きさなどは、図面図示の便宜上誇張して表現されることもある。明細書全体にわたって同一の参照番号は同一の構成要素を示す。
図３及び図４は、本発明の一実施の形態による半導体発光素子を示す平面図及び断面図である。ここで、図４は、図３のＩ−Ｉ'線に沿った断面図を示す。
図３及び図４を参照して説明すれば、本発明の一実施の形態による半導体発光素子１００は、導電性基板１１０と、第１の電極層１２０と、絶縁層１３０と、第２の電極層１４０と、第２の半導体層１５０と、活性層１６０と、第１の半導体層１７０とを備え、これらの各層は順に積層される。
導電性基板１１０は、電気が流れることができる物質によって構成される。例えば、導電性基板１１０は、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＷのうちのいずれか一つの金属を含む金属性基板、またはＳｉ、Ｇｅ及びＧａＡｓのうちのいずれか一つを含む半導体基板であることが望ましい。
導電性基板１１０上には、第１の電極層１２０が積層して設けられており、第１の電極層１２０は、導電性基板１１０及び活性層１６０と電気的に接続されるため、これらの導電性基板１１０及び活性層１６０との接触抵抗が最小化されるような物質によって構成されることが望ましい。
第１の電極層１２０は、導電性基板１１０上に積層されて設けられているだけではなく、図４に示しているように、その一部の領域が絶縁層１３０、第２の電極層１４０、第２の半導体層１５０及び活性層１６０を貫通し、第１の半導体層１７０の一定領域まで貫通するコンタクトホール１８０を介して延びて第１の半導体層１７０と接触し、導電性基板１１０と第１の半導体層１７０とは電気的に接続されるように設けられている。
即ち、第１の電極層１２０は、導電性基板１１０と第１の半導体層１７０とを電気的に接続する。詳しくは、コンタクトホール１８０を介して電気的に接続することによって、コンタクトホール１８０の大きさ、より詳しくは、コンタクトホール１８０を介して第１の電極層１２０と、第１の半導体層１７０とが接触する面積となる接触領域１９０を介して電気的に接続される。
一方、第１の電極層１２０上には、第１の電極層１２０と導電性基板１１０及び第１の半導体層１７０を除いた他の層とを電気的に絶縁するための絶縁層１３０が設けられる。即ち、該絶縁層１３０は、第２の電極層１４０との間だけでなく、コンタクトホール１８０により露出する第２の電極層１４０、第２の半導体層１５０及び活性層１６０の側面との間にも設けられる。また、コンタクトホール１８０が貫通する第１の半導体層１７０の一定領域の側面にも、絶縁層１３０を設けて絶縁することが望ましい。
第２の電極層１４０は、絶縁層１３０上に備えられる。もちろん前述のように、コンタクトホール１８０が貫通する一定領域には、第２の電極層１４０が存在しない。
この時、第２の電極層１４０は示されているように、第２の半導体層１５０と接触する界面の一部が露出する領域、即ち露出領域１４５を少なくとも一つ以上備えている。露出領域１４５上には、外部電源を第２の電極層１４０に接続するための電極パッド部１４７を設けることができる。一方、露出領域１４５上には、後述する第２の半導体層１５０、活性層１６０及び第１の半導体層１７０が設けられていない。また、露出領域１４５は図３に示すように、半導体発光素子１００の角に設けることが望ましく、これは半導体発光素子１００の発光面積を最大化するためである。
一方、第２の電極層１４０は、Ａｇ、Ａｌ及びＰｔのうちのいずれか一つの金属を含んで構成されることが望ましい。これは、第２の電極層１４０が第２の半導体層１５０と電気的に接触するため、第２の半導体層１５０との接触抵抗を最小化するような特性を有すると共に、活性層１６０で発せられた光を反射させ外部へ向かうようにして、発光効率を上げることができるような機能を有する層として設けられることが望ましいためである。
第２の半導体層１５０は、第２の電極層１４０上に設けられ、活性層１６０は第２の半導体層１５０上に設けられ、第１の半導体層１７０は活性層１６０上に設けられる。ここで、第１の半導体層１７０はｎ型窒化物半導体であり、第２の半導体層１５０はｐ型窒化物半導体であることが望ましい。
一方、活性層１６０は、第１の半導体層１７０及び第２の半導体層１５０を構成する物質によって異なる物質を選択して設けることができる。即ち、活性層１６０は、電子／正孔の再結合によるエネルギーを光に変化して放出する層であるので、第１の半導体層１７０及び第２の半導体層１５０のエネルギーバンドギャップより少ないエネルギーバンドギャップを有する物質によって設けることが望ましい。
図５は、面積が１０００×１０００μｍ２の半導体発光素子のｎ型オーミック接触抵抗及びｐ型オーミック接触抵抗を示すグラフである。図５を参照して説明すれば、本発明の一実施の形態による半導体発光素子１００が１００００００μｍ２の大きさ、即ち横１０００μｍ、縦１０００μｍの大きさを有する長方形のチップと仮定すると、半導体発光素子１００の抵抗は、第１の電極層１２０、第２の電極層１４０、第１の半導体層１７０、第２の半導体層１５０、第２の半導体層１５０と第２の電極層１４０との接触抵抗（以下、「第１の接触抵抗」という）、及び第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触抵抗（以下、「第２の接触抵抗」という）があり得るが、第１の接触抵抗２１０及び第２の接触抵抗２２０が、接触面積によって最も多い変化を示す抵抗である。
特に、図５に示すように、第２の接触抵抗２２０が第１の接触抵抗２１０より、接触面積が増加するに伴って最も多い変化を示す。ここで、図５のＸ軸は、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０とが接触する接触面積の大きさを意味し、Ｙ軸は接触抵抗の大きさを意味するため、前記Ｘ軸の数字は第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０とが接触する接触面積であり、第２の半導体層１５０と第２の電極層１４０とが接触する接触面積は、半導体発光素子１００の総面積１００００００μｍ２から前記Ｘ軸の値を差し引いた値が、第１の接触抵抗２１０に対応する第２の半導体層１５０と第２の電極層１４０との接触面積になる。
ここで、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０とが接触する接触面積は、図３及び図４を参照して説明した通り、コンタクトホール１８０を介して第１の電極層１２０と第１の半導体層１７０とが接触する領域である接触領域１９０の総面積、即ち、コンタクトホール１８０が複数個であるため、各接触領域１９０の面積の和を意味する。
図６は、第１の半導体層と第１の電極層とが接触する接触面積による、第１の接触抵抗と第２の接触抵抗との総抵抗を示すグラフである。図６を参照して説明すれば、本発明の一実施の形態による半導体発光素子１００の第１の接触抵抗２１０及び第２の接触抵抗２２０は直列に接続されるため、第１の接触抵抗２１０と第２の接触抵抗２２０とを足し合わせた総抵抗２３０が、半導体発光素子１００の抵抗のうち、接触面積に従って最も大きな影響を与える抵抗となる。
ここで、図６に示すように、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積（Ｘ軸の値を参照）が増加するに伴って、総抵抗２３０の値（Ｙ軸の値を参照）は初期には急速な減少を示し、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積が大きくなるに伴って、総抵抗２３０が増加している傾向を示すことを分かる。
一方、半導体発光素子１００の抵抗は、半導体発光素子１００の大きさが１００００００μｍ２の場合、１.６オーム以下であることが望ましいので、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積は、３００００〜２５００００μｍ２であることが望ましい。
即ち、図３及び図４を参照して説明した本発明の半導体発光素子１００は、コンタクトホール１８０を介して第１の電極層１２０と第１の半導体層１７０とが接触する領域である接触領域１９０の総接触面積が３００００〜２５００００μｍ２であることが、接触抵抗の側面において最も望ましい。
図７は、第１の半導体層と第１の電極層との接触面積による発光効率を示すグラフである。図６を参照して説明したように、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積が３００００〜２５００００μｍ２であるということが、総抵抗を低く抑えて半導体発光素子１００の発光効率を上げているように思われるが、これは第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積が増加するにともなって、半導体発光素子１００の実際の発光面積が減少することを勘案していない。
即ち、図７に示すように、半導体発光素子１００の発光効率は、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積が７００００μｍ２になるまでは、総抵抗を下げることによって発光効率を上げるが、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積が７００００μｍ２以上に増加し続けると、発光効率は低くなる。これは、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積の増加が第２の半導体層１５０と第２の電極層１４０との接触面積の減少を意味するものであり、半導体発光素子１００の発光量を低下させるものである。
従って、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積が適切に決定されることが望ましく、より好ましくは、図７に示すように、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積が、発光効率９０％以上になる１３００００μｍ２以下になることが望ましい。
結論的にみると、本発明の一実施の形態による半導体発光素子１００は、コンタクトホール１８０を介して、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積が３００００〜１３００００μｍ２になることが最も望ましい。これは、半導体発光素子１００のチップの大きさが１００００００μｍ２の場合であるため、第１の電極層１７０と半導体層１２０との接触する面積が、半導体発光素子１００の面積の３〜１３％となる場合が最も適切な接触面積であることを示す。
一方、コンタクトホール１８０の個数が非常に少ない場合、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との一つの接触領域１９０当たりの第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触面積は増加するが、それによって電流を供給しなければならない第１の半導体層１７０の面積が増加するようになり、接触領域１９０で供給しなければならない電流量が増加するようになる。そのため、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触領域１９０に電流が集中することになる問題が発生する。
また、コンタクトホール１８０の個数が非常に多い場合は、コンタクトホール１８０自体が非常に小さくなってしまい、製造工程上、非常に緻密になり困難もともなうということが問題となる。
従って、コンタクトホール１８０の個数は、半導体発光素子１００の大きさ、即ちチップの大きさによって適切に選択されることが望ましい。半導体発光素子１００の大きさが１００００００μｍ２の場合は、コンタクトホール１８０の個数は５〜５０個であることが望ましい。
一方、半導体発光素子１００のコンタクトホール１８０は複数設けられるが、コンタクトホール１８０は均一に配置されることが望ましい。これはコンタクトホール１８０を介して第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０とが接触するため、電流が均一に分散するためには、コンタクトホール１８０が均一に配置、即ち、第１の半導体層１７０と第１の電極層１２０との接触領域１９０が均一に配置されることが望ましい。
ここで、半導体発光素子１００の大きさが１００００００μｍ２の場合において、コンタクトホール１８０の個数は５〜５０個の場合、半導体発光素子１００が均一に配置されるためには、複数のコンタクトホールのうち隣接したコンタクトホール間の離隔距離は、１００μｍ〜４００μｍであることができる。ここで、この離隔距離とは、隣接したコンタクトホールの中心点を連結して測定した値である。
一方、半導体発光素子１００は、前述したようにコンタクトホール１８０を複数個均一に配置することによって、一様な電流分散をなすことができ、大きさが１００００００μｍ２の半導体発光素子の場合、従来は約３５０ｍＡで動作したが、本発明の一実施の形態による半導体発光素子１００の場合は、２Ａ程度の高い電流を印加しても非常に安定して動作し、電流集中（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｒｏｗｄｉｎｇ）現象が緩和し、信頼性の向上した半導体発光素子を提供することができる。
今回開示された実施の形態は例示に過ぎず、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前述した実施の形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１１０ 導電性基板
１２０ 第１の電極層
１３０ 絶縁層
１４０ 第２の電極層
１５０ 第２の半導体層
１６０ 活性層
１７０ 第１の半導体層
１８０ コンタクトホール
１９０ 接触領域

Claims (10)

  1. 導電性基板、第１の電極層、絶縁層、第２の電極層、第２の半導体層、活性層及び第１の半導体層が順に積層されて構成され、
    前記第２の電極層は、前記第２の半導体層との界面をなす表面の一部が露出する領域を一つ以上備え、
    前記第１の電極層は、前記第２の電極層、前記第２の半導体層及び前記活性層を貫通し、前記第１の半導体層の一定領域まで貫通する複数のコンタクトホールを介して前記第１の半導体層の一定領域まで延びて前記第１の半導体層と電気的に接続されるように設けられ、
    前記絶縁層は、前記第１の電極層と第２の電極層との間及び前記コンタクトホールの側面に設けられ、前記第１の電極層と、前記第２の電極層、前記第２の半導体層及び前記活性層とを絶縁し、
    前記第１の電極層と第１の半導体層とが接触する面積が、前記半導体発光素子の面積の３〜１３％になり、
    前記第２の電極層の露出された領域は、前記半導体発光素子の角及びその近傍のみに設けられ、
    前記複数のコンタクトホールの側面は、前記導電性基板の上面に対して前記第１の半導体層に向かって傾斜していることを特徴とする半導体発光素子。
  2. 前記コンタクトホールが、均一に配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記コンタクトホールが、５〜５０個であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記半導体発光素子の面積１００００００μｍ２当たり、前記第１の電極層と半導体層とが接触する面積が、３００００μｍ２〜１３００００μｍ２であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
  5. 前記コンタクトホールにおける相隣接するコンタクトホールの中心点間の距離は、１００μｍ〜４００μｍであることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
  6. 前記第２の電極層の露出された領域上に設けられた電極パッド部を、更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  7. 前記第２の電極層は、前記活性層から発せられた光を反射させることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  8. 前記第２の電極層は、Ａｇ、Ａｌ及びＰｔのうちのいずれか一つの金属を含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
  9. 前記導電性基板は、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＷのうちのいずれか一つの金属を含む金属性基板であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
  10. 前記導電性基板は、Ｓｉ、Ｇｅ及びＧａＡｓのうちのいずれか一つを含む半導体基板であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
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