JP5283436B2 - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、発光が優先的に発生するｐ型電極パッド付近の面積を拡張して光抽出効率を向上させ、局部的な電流の集中を防止して駆動電圧を減少させ得る窒化物系半導体発光素子及びその製造方法に関する。

最近、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、優れた物理的、化学的特性により、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）又はレーザーダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）などの発光素子の核心素材として注目されつつある。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料を利用したＬＥＤ又はＬＤは、青色又は緑色波長帯の光を得るための発光素子に多く用いられており、このような発光素子は、電光板及び照明装置など各種製品の光源として応用されている。ここで、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、通常、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）の組成式を有するＧａＮ系物質からなる。

以下、図１及び図２を参照して、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子を詳細に説明する。

図１は、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子を示す断面図であり、図２は、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子を示す平面図である。

まず、図１に示すように、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子１００は、窒化物系半導体物質の成長のためのサファイア基板１０１と、該サファイア基板１０１上に順次形成されたｎ型窒化物半導体層１０２、活性層１０３及びｐ型窒化物半導体層１０４を備え、前記ｐ型窒化物半導体層１０４及び活性層１０３は、メサエッチング（ｍｅｓａ ｅｔｃｈｉｎｇ）工程によりその一部領域が除去され、ｎ型窒化物半導体層１０２の上面の一部を露出した構造を有する。

そして、前記メサエッチング工程によりエッチングされないｐ型窒化物半導体層１０４上には、ｐ型電極パッド１０６が形成されており、前記ｎ型窒化物半導体層１０２上には、ｎ型電極パッド１０７が形成されている。

ここで、前記ｐ型窒化物半導体層１０４は、ｎ型窒化物半導体層１０２に比べて、高い比抵抗を有するため、ｐ型窒化物半導体層１０４とｎ型窒化物半導体層１０２との抵抗差により、電流拡散特性が低くなるという問題がある。このように、電流拡散特性が低くなれば、光抽出効率も低くなることから、結局、窒化物系半導体発光素子１００の輝度が低下する。これにより、従来では、前記ｐ型窒化物半導体層１０４上に透明電極１０５を形成して、前記ｐ型電極パッド１０６を介して注入される電流の注入面積を増加させることで、電流拡散効果を改善した。

ところが、上記のように、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子１００は、ｐ型窒化物半導体層１０４上に透明電極１０５をさらに備えて、既存に比べて向上した電流拡散効果を得ることができたが、前記透明電極１０５とｎ型窒化物半導体層１０２との間の面抵抗の差が大きい場合には、相変らず低い電流拡散特性を示すという問題がある。その例として、通常用いられているＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を透明電極１０５として使用する場合、前記ＩＴＯの高い面抵抗により、ｐ型電極パッド１０６の付近（図面符号「Ａ₁」参照）で局部的な電流集中現象が発生する。

一方、従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子１００は、図２に示すように、ｐ型電極パッド１０６をメサラインである前記ｐ型窒化物半導体層１０４の外側エッジラインと最大限近接するように形成して、ｎ型電極パッド１０７との間隔を最大限離隔させることにより、これらの間での発光面積を最大限確保して光出力の向上効果を期待している。しかしながら、こういう場合、上述したようなｐ型電極パッド１０６付近Ａ₁での局部的な電流集中が極めて増加するため、駆動電圧が増加するなど、素子の信頼性が低下するという問題が発生する。

なお、前記ｐ型電極パッド１０６付近Ａ₁は、電流が集中することにより発光が優先的に発生する領域（以下、「優先発光領域」と称する）でもあり、上記のように、ｐ型電極パッド１０６をメサラインと近接して形成する場合、むしろ、発光密度の高い優先発光領域であるｐ型電極パッド１０６付近Ａ₁の面積を確保するのに限界があるから、チップ全体の光抽出効率を向上させるのが困難である。一方、図１において点線で示したものは、電流の経路である。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ｐ型電極パッド付近の面積を拡張して光抽出効率を向上させ、局部的な電流の集中を防止して駆動電圧を減少させる等、素子の信頼性を向上させ得る窒化物系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、長方形に設けられ、縦横比が１．５以上の基板と、前記基板上に設けられたｎ型Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１である）物質から成るｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層の所定領域上に順に設けられた、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１である）物質から成る活性層、及びｐ型Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１である）物質から成るｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層上に設けられ、前記ｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから所定間隔離間して設けられた透明電極と、前記透明電極上に設けられ、前記ｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから５０〜２００μｍだけ離間されたｐ型電極パッドと、前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｎ型電極パッドと、を備える。

好ましくは、前記ｐ型電極パッドは、前記ｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから１００〜２００μｍだけ離間される。

好ましくは、前記基板はサファイアであり、前記基板と前記ｎ型窒化物半導体層との間にＡｌＮ／ＧａＮからなるバッファ層をさらに含む。

好ましくは、前記ｎ型窒化物半導体層は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうちのいずれか一つのｎ型導電型不純物がドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であり、前記ｐ型窒化物半導体層は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅのうちのいずれか一つのｐ型導電型不純物がドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であり、前記活性層は、多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ層から成る。

好ましくは、前記透明電極は、ＩＴＯ材質から成る。

好ましくは、前記ｐ型電極パッド及び前記ｎ型電極パッドは、ＡｕまたはＡｕ／Ｃｒから成る。

好ましくは、前記ｐ型電極パッドが前記窒化物半導体層の外側エッジラインから約５０μｍ〜２００μｍだけ離間される間、光出力（Ｐｏ）値が増加する。

好ましくは、前記ｐ型電極パッドが前記ｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから２００μｍより遠い距離に離間されるほど、光出力（Ｐｏ）値が減少する。

本発明によれば、ｐ型電極パッドをメサラインから所定間隔離隔させることにより、発光が優先的に発生するｐ型電極パッド付近の面積を拡張してチップの光抽出効率を向上させることができ、局部的な電流の集中を分散させて駆動電圧を減少させるなど、素子の信頼性を向上させることができるという効果がある。

以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施形態に限定されない。

窒化物系半導体発光素子の構造
図３及び図４を参考に、本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体発光素子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系半導体発光素子を示す断面図であり、図４は、本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体発光素子を示す平面図である。

図３に示すように、本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体発光素子２００は、窒化物系半導体物質の成長のためのサファイア基板２０１と、該サファイア基板２０１上に順次形成されたバッファ層（図示せず）、ｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３、及びｐ型窒化物半導体層２０４を備え、前記ｐ型窒化物半導体層２０４及び活性層２０３は、メサエッチング工程によりその一部領域が除去されるため、前記ｎ型窒化物半導体層２０２の一部上面を露出した構造を有する。

ここで、前記バッファ層は、前記サファイア基板２０１とｎ型窒化物半導体層２０２との間の格子整合を向上させるために、サファイア基板２０１上に成長されるものであって、通常、ＡｌＮ／ＧａＮなどからなることができる。

そして、前記ｎ型及びｐ型窒化物半導体層２０２，２０４、及び前記活性層２０３は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ組成式（ここで、０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１）を有する半導体物質からなることができる。さらに詳細に、前記ｎ型窒化物半導体層２０２は、ｎ型導電形不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、前記ｎ型導電形不純物には、例えば、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎなどを使用し、好ましくは、Ｓｉを主に使用する。また、前記ｐ型窒化物半導体層２０４は、ｐ型導電形不純物がドーピングされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなることができ、前記ｐ型導電形不純物には、例えば、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｂｅなどを使用し、好ましくは、Ｍｇを主に使用する。そして、前記活性層２０３は、多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ層からなることができる。

前記メサエッチング工程によりエッチングされないｐ型窒化物半導体層２０４上には、ＩＴＯ材質の透明電極２０５が形成されている。そして、前記透明電極２０５上には、メサラインである前記ｐ型窒化物半導体層２０４の外側エッジラインから所定間隔が離隔されたｐ型電極パッド２０６が形成されており、前記メサエッチング工程により露出されたｎ型窒化物半導体層２０２上には、ｎ型電極パッド２０７が形成されている。このとき、前記ｐ型電極パッド２０６は、一般的な窒化物系半導体発光素子チップのサイズを考慮して、前記ｐ型窒化物半導体層２０４の外側エッジラインから５０〜２００μｍだけ離隔されて形成されることが好ましい。

また、前記基板２０１の平面形状は、図４に示すように、長方形のものが好ましく、このとき、長方形の縦対横の比が１対１．５以上であることが好ましい。

一方、上述したように、通常用いられているＩＴＯを透明電極２０５として使用する場合、前記ＩＴＯの高い面抵抗により、ｐ型電極パッド２０６付近で局部的な電流集中現象が発生できるが、本発明の実施の形態では、前記ｐ型電極パッド２０６がメサラインから所定間隔が離隔されているため、電流の局部的な集中を分散させることができる。これにより、駆動電圧を減少させ得るなど、素子の信頼性を向上させ得るが、優先発光領域であるｐ型電極パッド２０６付近の面積を拡張（図３の図面符号「Ａ₂」参照）でき、チップ全体の発光効率を向上させることができる。一方、図３において点線で示したものは、電流の経路である。

窒化物系半導体発光素子の製造方法
以下では、本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法について説明する。

図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。

まず、図５Ａに示すように、窒化物系半導体物質の成長のためのサファイア基板２０１上に、バッファ層（図示せず）、ｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３、及びｐ型窒化物半導体層２０４を順に形成する。ここで、前記バッファ層は形成しなくてもよく、ｎ型窒化物半導体層２０２、活性層２０３及びｐ型窒化物半導体層２０４は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ組成式（ここで、０≦Ｘ，０≦Ｙ，Ｘ＋Ｙ≦１である）を有する半導体物質からなることができ、一般に、有機金属化学気相（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）などの工程により形成できる。

次に、図５Ｂに示すように、前記ｐ型窒化物半導体層２０４、活性層２０３、及びｎ型窒化物半導体層２０２の一部をメサエッチングすることにより、前記ｎ型窒化物半導体層２０２の一部を露出させる。

その後、図５Ｃに示すように、前記ｐ型窒化物半導体層２０４上に透明電極２０５を形成する。前記透明電極２０５は、通常、ＩＴＯで形成する。

その後、図５Ｄに示すように、前記ｐ型窒化物半導体層２０４の外側エッジラインから所定間隔離隔された前記透明電極２０５上にｐ型電極パッド２０６を形成し、前記ｎ型窒化物半導体層２０２上にｎ型電極パッド２０７を形成する。前記ｐ型電極パッド２０６及びｎ型電極パッド２０７は、Ａｕ又はＡｕ／Ｃｒなどのような金属を利用して形成できる。

このとき、上述したように、前記透明電極２０５として用いられるＩＴＯの高い面抵抗により、ｐ型電極パッド２０６の付近に電流が集中することができるが、本発明の実施の形態では、前記ｐ型電極パッド２０６がメサラインから所定間隔が離隔されているため、電流の局部的な集中を分散させることができる。したがって、本発明は、駆動電圧の減少効果を得ることができ、優先発光領域であるｐ型電極パッド２０６付近の面積を拡張（図５Ｄの図面符号「Ａ₂」参照）できるため、チップ全体の発光効率を向上させることができる。

ここで、図６は、ｐ型電極パッドの離隔距離に応じるＰｏ（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）変化を示すグラフであり、図７は、ｐ型電極パッドの離隔距離に応じる駆動電圧の変化を示すグラフである。

まず、図６に示すように、ｐ型電極パッド２０６がメサラインから約５０μｍ〜２００μｍ分だけ離隔される間、Ｐｏ値が増加する傾向を示しており、２００μｍ以上に離隔されるほど、Ｐｏ値が減少することが分かる。したがって、前記ｐ型電極パッド２０６は、メサラインである前記ｐ型窒化物半導体層２０４の外側エッジラインから５０〜２００μｍ程度の範囲で離隔されることが最も好ましい。

そして、図７に示すように、前記ｐ型電極パッド２０６を、メサラインから所定間隔離隔させることにより、すなわち、ｐ型電極パッド２０６とｎ型電極パッド２０７との間の距離を減少させることによって、駆動電圧値が減少したことが分かる。

図８は、ｐ型電極パッドをメサラインから５５μｍ離隔させた場合の発光状態を示す写真である。

本発明の実施の形態により、ｐ型電極パッド２０６をメサラインから５５μｍ離隔させた場合、同図に示すように、全チップにおいて均一な光効果を得ることができることはもちろん、優先発光領域であるｐ型電極パッド２０６付近の面積を拡張できることから、チップ全体の発光効率をさらに向上させることができる。

一方、前記サファイア基板２０１の平面形状は、長方形のものが好ましく、これは、前記サファイア基板２０１が長方形である場合が、正四角形の場合に比べてｐ型電極パッド２０６をメサラインから離隔させ得る距離に対するマージン確保に有利なためである。このとき、前記長方形の縦対横の長さ比が１対１．５以上であることが好ましい。これは、長方形の縦対横の長さ比が１．５より小さい場合、メサラインから離隔されるｐ型電極パッド２０６がｎ型電極パッド２０７に近づきすぎることによって、むしろ電流の拡散性が低くなり得る可能性があるためである。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子を示す断面図である。 従来の技術に係る窒化物系半導体発光素子を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を説明するための工程別断面図である。 ｐ型電極パッドの離隔距離に応じるＰｏ（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）変化を示すグラフである。 ｐ型電極パッドの離隔距離に応じる駆動電圧の変化を示すグラフである。 ｐ型電極パッドをメサラインから５５μｍ離隔させた場合の発光状態を示す写真である。

符号の説明

２００ 窒化物系半導体発光素子
２０１ サファイア基板
２０２ ｎ型窒化物半導体層
２０３ 活性層
２０４ ｐ型窒化物半導体層
２０５ 透明電極
２０６ ｐ型電極パッド
２０７ ｎ型電極パッド
Ａ₂ 拡張された優先発光領域

Claims (7)

1. 対向する一対の短辺を有し、短辺に対する長辺の比率が１．５以上である長方形の基板と、
   前記基板上に設けられたｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層の所定領域上に順に設けられた活性層、及びｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｐ型窒化物半導体層上に設けられた透明電極と、
   前記基板の一方の短辺に沿って、前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられたｎ型電極パッドと、
   前記透明電極上において、前記基板の他方の短辺側のｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから５０μｍ離隔した地点と、前記基板の他方の短辺側のｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから離隔して光出力（Ｐｏ）値が最大になる地点との間に設けられるｐ型電極パッドと、
   を含み、
   前記外側エッジラインの中央は、前記ｐ型電極パッドの中央および前記ｎ型電極パッドの中央を結ぶ直線と交差する窒化物系半導体発光素子。
2. 前記ｐ型電極パッドは、前記ｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインから２００μｍ以下で離間され、
   前記光出力（ＰＯ）値は、前記ｐ型電極パッドと前記ｐ型窒化物半導体層の外側エッジラインとの離間距離が約５０〜２００μｍの区間で増加し、前記離間距離が約２００μｍより大きい区間で減少する
   請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記ｎ型窒化物半導体層は、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）物質から成り、
   前記ｐ型窒化物半導体層は、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）物質から成る
   請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記基板はサファイアであり、前記基板と前記ｎ型窒化物半導体層との間にＡｌＮ／ＧａＮからなるバッファ層をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
5. 前記ｎ型窒化物半導体層は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎのうちのいずれか一つのｎ型導電型不純物がドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であり、前記ｐ型窒化物半導体層は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅのうちのいずれか一つのｐ型導電型不純物がドープされたＧａＮ層またはＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であり、前記活性層は、多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造のＩｎＧａＮ／ＧａＮ層から成ることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
6. 前記透明電極は、ＩＴＯ材質から成ることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。
7. 前記ｐ型電極パッド及び前記ｎ型電極パッドは、ＡｕまたはＡｕ／Ｃｒから成ることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の窒化物系半導体発光素子。