JP5281110B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、より詳しくは、中・大面積の窒化物半導体発光素子として好適な窒化物半導体発光素子に関する。

一般に、窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）の組成を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶であり、短波長光（紫外線〜緑色光）、特に青色光を出すことのできる発光素子に広く用いられている。

一方、窒化物半導体発光素子としては、結晶成長のための格子整合条件を満足するサファイア基板やＳｉＣ基板などの絶縁性基板を用いて製造されるため、第１導電型および第２導電型窒化物半導体層にそれぞれ接続された２つの電極が発光構造の上面にほぼ水平に配列された水平構造を有するものがある。

最近、このような水平構造を有する窒化物半導体発光素子に対しては、それを照明光源に利用するために高輝度化が要求されており、このような高輝度化を達成するために電流を均一に拡散させ、発光効率を向上させることのできる窒化物半導体発光素子が製作されている。

しかし、このような水平構造を有する窒化物半導体発光素子は、２つの電極が発光構造体の上下面に各々配置された垂直構造を有する窒化物半導体発光素子に比べて、電流の流れを発光領域の全体において均一に分布させるのが困難であるため、発光部分の有効面積を大きくするのが困難で、発光効率が低いという問題がある。

以下、図１および図２を参照して、従来技術による水平構造を有する窒化物半導体発光素子の問題点について詳細に説明する。

図１は、従来技術による窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す平面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ’線に沿って切断した断面図である。

図１および図２に示すように、従来技術による水平構造を有する窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１００上に順次形成されたバッファ層１１０、第１導電型窒化物半導体層１２０、多重井戸構造を形成するＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる活性層１３０および第２導電型窒化物半導体層１４０を含み、第２導電型窒化物半導体層１４０と活性層１３０は、メサエッチング（ｍｅｓａ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程によって、その一部領域が除去され、第１導電型窒化物半導体層１２０の一部上面が露出した構造を有している。

第１導電型窒化物半導体層１２０の、露出した部分には複数の第１導電型電極パッド１６０ａと第１導電型電極１６０、一方向に延びる複数の第１導電型電極パッド１６０ａ、およびこれらを接続する第１導電型接続電極１６０ｂが形成されている。

そして、第２導電型窒化物半導体層１４０上にはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）などからなる透明電極１５０が形成されており、その上には複数の第２導電型電極パッド１７０ａおよび複数の第２導電型電極パッド１７０ａを互いに接続する第２導電型接続電極１７０ｂが形成されている。

また、透明電極１５０上には、複数の第２導電型電極パッド１７０ａおよび第２導電型接続電極１７０ｂから一方向へ延びている複数の第２導電型電極１７０が形成されており、これらは第１導電型電極１６０と互いにかみ合わさる構造、すなわち、フィンガー状の構造を有するように形成されている。したがって、従来技術による窒化物半導体発光素子は、第２導電型電極１７０と第１導電型電極１６０とが素子の全面で互いに最大限均一な距離を有するようになっており、それによって、電流の流れを素子の発光領域の全体に均一に拡散させることができる。

ところで、従来技術に係わる窒化物半導体発光素子では、複数の第１導電型電極パッド１６０ａ同士および第１導電型電極１６０が第１導電型接続電極１６０ｂを介して互いに接続され、複数の第２導電型電極パッド１７０ａ同士および第２導電型電極１７０が、第２導電型接続電極１７０ｂを介して互いに接続されている。

しかし、複数の第１導電型電極パッド１６０ａ同士または第２導電型電極１６０、および複数の第２導電型電極パッド１７０ａ同士または第２導電型電極１７０がそれぞれ第１導電型接続電極１６０ｂおよび第２導電型接続電極１７０ｂを介して接続されれば、発光面積の全体のうち、発光に用いられる有効面積が、第１導電型接続電極１６０ｂおよび第２導電型接続電極１７０ｂの形成領域の分だけ減少するという問題がある。

また、第１導電型電極パッド１６０ａと第２導電型電極パッド１７０ａとは、窒化物半導体発光素子の、互いに異なる辺、すなわち、互いに反対側の辺に隣接した位置に各々形成されている。

しかし、上述したように、第１導電型電極パッド１６０ａと第２導電型電極パッド１７０ａとが、互いに反対側の辺に隣接した位置に各々形成されれば、第１導電型電極パッド１６０ａと第２導電型電極パッド１７０ａとの形成領域の分だけ、発光面積の全体のうち、発光に用いられる有効面積が減少して、全体としての発光効率が低くなるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記のような問題点を解決するために、発光面積の全体のうち、発光に用いられる有効面積を増加させることができ、全体的な発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。

また、上記目的を達成するために、本発明の他の態様は、基板と、基板上に形成された第１導電型窒化物半導体層と、第１導電型窒化物半導体層の所定領域上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型窒化物半導体層と、第２導電型窒化物半導体層上に形成された透明電極と、透明電極上に、互いに同一の辺に隣接し互いに分離して形成された２つ以上の第２導電型電極パッドと、第２導電型電極パッドから前記同一の辺と相対する辺の方向に延びて線状に形成された複数の第２導電型電極と、第１導電型窒化物半導体層上の、活性層が形成されていない部分に第２導電型電極パッドと同一の辺に隣接して形成され、前記第２導電型電極パッドの間に配置された１つ以上の第１導電型電極パッドと、第１導電型電極パッドから一方向に延びて線状に形成された３つの第１導電型電極とを含み、
線状に形成された前記第１導電型電極および前記第２導電型電極は、
それぞれ前記第１導電型電極パッドおよび前記第２導電型電極パッドと互いに交わる部分から直線または曲線で形成され、
前記第２導電型電極は、前記同一の辺に隣接する辺と反対側の辺側から前記第１導電型電極パッドおよび前記第２導電型電極パッドに隣接する辺側に向かうように曲がった形態となって互いにかみ合うフィンガー構造に形成され、前記曲がった部分は、隣接した２つの第１導電型電極の間に位置するように延長され、
前記曲がった形態をなす領域は、曲線状を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子を提供する。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、線状に形成された第１および第２導電型電極は、それぞれ第１および第２導電型電極パッドと互いに交わる部分から直線または曲線のうちいずれかの形態に形成されていてよく、これは発光素子の特性に応じて変更可能である。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第１および第２導電型電極は、第１および第２導電型電極パッドが隣接する辺と反対側の辺側から第１および第２導電型電極パッドに隣接する辺側に向かうように曲がった形態となって互いにかみ合うフィンガー構造に形成されることが好ましい。これは、大面積の発光面全体で均一な発光が起きるようにするためである。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、第１および第２導電型窒化物半導体層は、ｎ型またはｐ型であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光素子において、活性層は、第１導電型窒化物半導体層上に形成されるが、第１導電型窒化物半導体層の四方の最外郭の辺から離隔するように形成されることが好ましい。これは、第１導電型電極パッドから第２導電型電極に伝えられる電流の流れを第１導電型窒化物半導体層を介して円滑にするためである。

上記のように、本発明によれば、複数の第１および第２導電型電極パッドまたは複数の第１および第２導電型電極を互いに接続する各々の接続電極を省略して発光面積の全体において、第１および第２導電型接続電極の形成領域の分だけ発光に用いられる有効面積を増加させることができる。

また、本発明によれば、第１および第２導電型電極パッドを発光面全体において部分的に形成せずに、同一の辺に隣接して互いに分離するように形成することによって、発光効率を向上させることができる。

また、本発明は、第１および第２導電型電極が各々の電極パッドと互いに交わる部分、および第１および第２導電型電極パッドが隣接する辺と反対側の辺側の部分で、直角の屈曲部でなく緩やかな湾曲部を有するようにして屈曲部に電流が集中する現像を最小化することができる。

したがって、本発明によれば、窒化物半導体発光素子の電流の集中現象を最小化して電流拡散効率を向上させ、輝度特性を向上させ、駆動電圧を低減し、素子の特性および信頼性を改善することができる。

以下、添付する図面を参照して、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。

各図では、様々な層および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示している。各実施形態では、同様の部分には同一の符号を付している。

ここで、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）について図面を参照して詳細に説明する。

まず、図３および図４を参照して、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造について詳細に説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す平面図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ’線に沿って切断した断面図である。

図３および図４を参照すると、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、光透過性の基板１００上にバッファ層１１０、第１導電型窒化物半導体層１２０、活性層１３０および第２導電型窒化物半導体層１４０が順次積層されて発光構造体を構成している。

基板１００は、窒化物半導体単結晶を成長させるのに適する基板であり、好ましくは、サファイアを含む透明な材料を用いて形成される。サファイア以外に、基板１００はジンクオキサイド（ＺｎＯ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）およびアルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）などで形成することができる。

バッファ層１１０は、基板１００上に第１導電型窒化物半導体層１２０を成長させる前に、サファイアを含んで形成された基板１００との格子整合を向上させるための層であり、一般的にＧａＮまたはＧａを含む窒化物、例えば、ＳｉＣ／ＩｎＧａＮで形成されており、これは素子の特性および工程条件によっては省略可能である。

第１導電型窒化物半導体層１２０と活性層１３０および第２導電型窒化物半導体層１４０は、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（ここで、０≦Ｘ、Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）の組成を有する半導体物質によって形成することができる。

より詳しくは、第１および第２導電型窒化物半導体層１２０，１４０は、ｎ型不純物がドーピングされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層、またはｐ型不純物がドーピングされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層から構成することができ、ｎ型不純物としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどを用い、ｐ型不純物としては、例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどを用いる。本実施形態では、第１導電型はｎ型、第２導電型はｐ型である。

そして、活性層１３０は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ層から構成することができる。

一方、活性層１３０は、１つの量子井戸層またはダブルへテロ構造によって構成することもできる。

活性層１３０と第２導電型窒化物半導体層１４０の一部は、メサエッチングによって除去され、底面に形成された第１導電型窒化物半導体１２０の一部上面が露出されている。この時、活性層１３０の最外郭の辺は、第１導電型窒化物半導体層１２０の四方の最外郭の辺から所定間隔だけ内側に離隔するように形成することが好ましい。これは、窒化物半導体発光素子の駆動時、後述する第１導電型電極パッド１６０ａから印加される電流の流れを活性層１３０の全面すなわち、発光面全体に均一に拡散させるためである。

第１導電型窒化物半導体層１２０の、露出した部分には第１導電型電極パッド１６０ａが形成されている。この時、第１導電型電極パッド１６０ａは、発光面積の損失を最小化するために第１導電型窒化物半導体層１２０の最外郭の辺に隣接した領域に形成することが好ましい。

また、第１導電型窒化物半導体層１２０の、露出した部分には、電流の流れを円滑にするために第１導電型電極パッド１６０ａから延びて、第１導電型窒化物半導体層１２０の、隣接する一辺と平行に線状に形成された少なくとも１つの第１導電型電極１６０をさらに含むことができる。

一方、本実施形態では、第１導電型電極１６０が１つ形成されたものを図３に示して説明しているが、これに限定されるものではなく素子の特性および工程条件に応じて、特に後述する第２導電型電極１７０の個数に応じて変更可能である。

そして、第２導電型窒化物半導体層１４０上には、透明電極１５０が形成されている。ここで、透明電極１５０としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のような導電性金属酸化物だけでなく、発光素子の発光波長に対して透過率が高ければ、導電性が高くコンタクト抵抗の低い金属薄膜であっても用いることができる。

透明電極１５０上には、第２導電型電極パッド１７０ａおよび第２導電型電極パッド１７０ａから一方向に延びて線状に形成された少なくとも１つの第２導電型電極１７０が形成されている。

特に、本発明に係る第２導電型電極パッド１７０ａは、第１導電型電極パッド１６０ａと同一の辺に隣接して位置するように形成されている。

言い換えれば、本発明は、第２導電型電極パッド１７０ａを第１導電型電極パッド１６０ａと同一の辺に隣接した位置に形成し、すなわち、従来技術において、第１導電型電極パッド１６０ａおよび第２導電型電極パッド１７０ａが、互いに反対側の辺に隣接する位置に分散して形成されていることによって、発光面積の全体のうち発光に用いられる有効面積が減少してしまっていたのを回避して、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。

また、第２導電型電極パッド１７０ａから一方向に延びた線状の第２導電型電極１７０は、電流の流れを円滑にするために、第１導電型電極パッド１６０ａから一方向に延びた線状の第１導電型電極１６０と平行に形成されている。この時、線状に形成された第１および第２導電型電極１６０，１７０は、それぞれ第１および第２導電型電極パッド１６０ａ，１７０ａと互いに交わる部分から直線または曲線のうちいずれの形状に形成されていてもよく、これは発光素子の特性に応じて変更可能である。

本明細書における「線状」の意味は、必ずしも直線状を意味するものではなく、後述する曲線状までも含む包括的な概念である。

（変形例１）
以下、本発明の実施形態の第１変形例による窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造について、図５を参照して説明する。ただし、第１変形例の構成のうち上述の実施形態と同一の部分についての説明は省略し、第１変形例において異なる構成についてのみ詳述する。

まず、図５は、本発明の実施形態の第１変形例による窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す平面図であって、図５に示すように、第２導電型電極パッド１７０ａから一方向に延びた第２導電型電極１７０は第１導電型電極１６０と互いにかみ合わさる構造すなわち、フィンガー状の構造に形成されている。

より詳細に述べると、第１および第２導電型電極１６０，１７０は、第１および第２導電型電極パッド１６０ａ，１７０ａに隣接する辺とは反対側の辺側で再び第１および第２導電型電極パッド１６０ａ，１７０ａに隣接する辺側に向かうように曲がった形態となって互いにかみ合うフィンガー構造に形成することが好ましい。これは、大面積の発光面全体で均一な発光が起きるようにするためである。

すなわち、第２導電型電極１７０と第１導電型電極１６０とが素子の全面で互いに最大限均一な距離を維持することができ、これによって、電流の流れを素子の発光領域全体において均一に拡散させることができる。

また、フィンガー状の構造に形成された第１および第２導電型電極１６０，１７０は、それぞれ第１および第２導電型電極パッド１６０ａ，１７０ａと互いに交わる部分および第１および第２導電型電極パッド１６０ａ，１７０ａが隣接する辺と反対側の辺側の部分で曲線状に形成されている。

言い換えれば、本発明の変形例による第１および第２導電型電極１６０，１７０には、それぞれ第１および第２電極パッド１６０ａ，１７０ａと互いに交わる部分、および第１および第２導電型電極パッド１６０ａ，１７０ａが隣接する辺と反対側の辺側の部分に、緩やかな曲線を描く湾曲部が形成されている。

したがって、本変形例に係る第１および第２導電型電極１６０，１７０によれば、それぞれ第１および第２電極パッド１６０ａ，１７０ａと互いに交わる部分で直角の屈曲部を有するために電流が集中するという従来の問題点を回避し、実質的な発光面をより広く増加させ、発光効率をより向上させることができるという利点が得られる。

（変形例２）
以下、本発明の実施形態の第２変形例による窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造について、図６を参照して説明する。ただし、第２変形例の構成のうち本発明の第１変形例と同一の部分についての説明は省略し、第２変形例において異なる構成についてのみ詳述することにする。

まず、図６は、本発明の実施形態の第２変形例による窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す平面図であり、図６に示すように、第１導電型電極パッド１６０ａは、同一辺に隣接して素子の特性に応じて１つ以上備えられ、２つ以上備えられる場合には互いに分離するように形成されている。また、第１導電型電極パッド１６０ａは、素子の特性に応じて１つ以上備えられ、２つ以上備えられる場合には互いに分離するように形成されている。本変形例では、図６に示すように、第１導電型電極パッド１６０ａを１つ備える窒化物半導体発光素子を例として説明する。

そして、第２導電型電極パッド１７０ａもまた、同一辺に隣接して素子の特性に応じて１つ以上備えられ、２つ以上備えられる場合には互いに分離するように形成されている。本変形例では、図６に示すように、第２導電型電極パッド１７０ａを２つ備える窒化物半導体発光素子を例として説明する。

上記のように同一辺に隣接して形成された第１および第２導電型電極パッド１６０ａ，１７０ａから各々一方向に延びた第１および第２導電型電極１６０，１７０は互いにかみ合わさる構造、すなわちフィンガー状の構造に形成されている。

これは、窒化物半導体発光素子が既存のモバイル用小型チップに比べて高い発光効率を要求され、そのために高電流の印加と大面積化が必要となり、大面積化に対応して、電流拡散を容易にするために電極パッドの数とその電極パッドから延びる電極の数が増加させた場合の変形例である。

また、本発明の前述の実施形態と第１および第２変形例を示す各図では第１および第２導電型電極パッド１６０ａ，１７０ａの形状を、角張った四角形とラウンド状の半円または１／４円形に示しているが、これらの形状は、これらに限定されるものではなく円形、四角形および多角形などの多様な形態に形成することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、多様な変形および均等な他の実施形態の形成が可能であるということを理解することができる。したがって、本発明の権利範囲は、これらに限定されるものではなく、請求範囲に規定する本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形形態および改良形態もまた本発明の権利範囲に属するものである。

従来技術による窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ’線に沿って切断した断面図である。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ’線に沿って切断した断面図である。 本発明の実施形態の第１変形例による窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す平面図である。 本発明の実施形態の第２変形例による窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の構造を示す平面図である。

１００ 基板
１１０ バッファ層
１２０ 第１導電型窒化物半導体層
１３０ 活性層
１４０ 第２導電型窒化物半導体層
１５０ 透明電極
１６０ 第１導電型電極
１６０ａ 第１導電型電極パッド
１６０ｂ 第１導電型接続電極
１７０ 第２導電型電極
１７０ａ 第２導電型電極パッド
１７０ｂ 第２導電型接続電極

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された第１導電型窒化物半導体層と、
   前記第１導電型窒化物半導体層の所定領域上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成された第２導電型窒化物半導体層と、
   前記第２導電型窒化物半導体層上に形成された透明電極と、
   前記透明電極上に、互いに同一の辺に隣接し互いに分離して形成された２つ以上の第２導電型電極パッドと、
   前記第２導電型電極パッドから前記同一の辺と相対する辺の方向に延びて線状に形成された複数の第２導電型電極と、
   前記第１導電型窒化物半導体層上の、前記活性層が形成されていない部分に前記第２導電型電極パッドと同一の辺に隣接して形成され、前記第２導電型電極パッドの間に配置された１つ以上の第１導電型電極パッドと、
   前記第１導電型電極パッドから一方向に延びて線状に形成された３つの第１導電型電極と、を含み、
   線状に形成された前記第１導電型電極および前記第２導電型電極は、
   それぞれ前記第１導電型電極パッドおよび前記第２導電型電極パッドと互いに交わる部分から直線または曲線で形成され、
   前記第２導電型電極は、前記同一の辺に隣接する辺と反対側の辺側から前記第１導電型電極パッドおよび前記第２導電型電極パッドに隣接する辺側に向かうように曲がった形態となって互いにかみ合うフィンガー構造に形成され、前記曲がった部分は、隣接した２つの第１導電型電極の間に位置するように延長され、
   前記曲がった形態をなす領域は、曲線状を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記第１導電型窒化物半導体層および前記第２導電型窒化物半導体層は、ｎ型
   またはｐ型であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光
   素子。
3. 前記活性層は、前記第１導電型窒化物半導体層の四方の最外郭の辺から離隔し
   て形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
   

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