JP5304563B2 - Group III nitride semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、基板リフトオフ法によって成長基板を除去され、支持体と接合されたIII 族窒化物半導体発光素子に関するものである。 The present invention relates to a group III nitride semiconductor light emitting device in which a growth substrate is removed by a substrate lift-off method and bonded to a support.
III 族窒化物半導体の成長基板として、一般的にサファイア基板が用いられている。しかし、サファイアは導電性や熱伝導性に問題があり、明確な劈開面がなく加工が容易でない。そこで、これらの問題を解決する技術として、成長基板上にIII 族窒化物半導体を成長させた後に成長基板を除去する技術(基板リフトオフ)が開発されている。 A sapphire substrate is generally used as a growth substrate for a group III nitride semiconductor. However, sapphire has problems with conductivity and thermal conductivity, and it is not easy to process without a clear cleavage plane. Therefore, as a technique for solving these problems, a technique (substrate lift-off) has been developed in which a growth substrate is removed after a group III nitride semiconductor is grown on the growth substrate.
その技術の1つがレーザーリフトオフ法である。これは、III 族窒化物半導体層と支持基板とを接合した後、成長基板とIII 族窒化物半導体との界面にレーザーを照射してIII 族窒化物半導体層を分解させて成長基板を分離除去する方法である。また、別の技術として、III 族窒化物半導体層の成長基板に近い層に薬液に溶解可能な層を導入し、III 族窒化物半導体層と支持基板とを接合した後に、所望の薬液により上記薬液に溶解可能な層を溶解して成長基板を除去する方法(ケミカルリフトオフ法)も知られている。 One such technique is the laser lift-off method. This is because after the group III nitride semiconductor layer and the support substrate are joined, the interface between the growth substrate and the group III nitride semiconductor is irradiated with a laser to decompose the group III nitride semiconductor layer and remove the growth substrate. It is a method to do. As another technique, a layer that can be dissolved in a chemical solution is introduced into a layer close to the growth substrate of the group III nitride semiconductor layer, the group III nitride semiconductor layer and the support substrate are joined, and then the above-described method is performed using a desired chemical solution. A method of removing a growth substrate by dissolving a layer that can be dissolved in a chemical solution (chemical lift-off method) is also known.
このような成長基板が除去され、支持基板と接合されたIII 族窒化物半導体発光素子において、光取り出し効率を向上させる技術が特許文献1に示されている。特許文献1に記載の発光素子では、p型層のp電極と接合している側の表面からn型層に達する深さの光反射用凹部を設け、p型層からn型層に向かうにつれ素子面方向における断面積が減少するように凹部側面を傾斜させている。この反射用凹部により、活性層近傍に閉じ込められて素子面方向に伝搬している光をn型層側へと反射させ、光取り出し効率を向上させている。
しかし、特許文献1のように光反射用凹部を設けた場合であっても、光反射用凹部によってn型層側へと反射された光の一部は、n型層のn電極と接合している側の表面において反射して素子内部へと戻ってしまうため、光取り出し効率が十分に向上していなかった。
However, even if a light reflecting recess is provided as in
また、n型層の表面に形成されるn電極の占める面積を小さくすることで、光取り出し効率を向上させることも考えられる。しかし、その場合は素子面方向へ電流が十分に拡散せず、発光の均一性が損なわれてしまい、高電流密度で駆動させた際の発光効率の低下が大きくなってしまう。 It is also conceivable to improve the light extraction efficiency by reducing the area occupied by the n-electrode formed on the surface of the n-type layer. However, in that case, the current is not sufficiently diffused in the direction of the element surface, the uniformity of light emission is impaired, and the light emission efficiency is greatly reduced when driven at a high current density.
そこで本発明の目的は、発光の均一性を損なうことなく光取り出し効率を向上させたIII 族窒化物半導体発光素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor light-emitting device having improved light extraction efficiency without impairing the uniformity of light emission.
第1の発明は、導電性の支持体と、支持体上に位置するp電極と、p電極上に順に位置する、III 族窒化物半導体からなるp型層、活性層、n型層と、n型層上に位置するn電極と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、p型層のp電極側表面からn型層に達する深さであって配線状のパターンに形成された溝と、溝の底面であるn型層に接し、溝の側面には接しない配線状のパターンに形成された補助電極と、補助電極、および溝の底面、側面を覆う透光性を有した絶縁膜と、を有し、n電極の面積は補助電極の面積よりも小さいことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。 The first invention includes a conductive support, a p-electrode positioned on the support, a p-type layer made of a group III nitride semiconductor, an active layer, and an n-type layer, which are sequentially positioned on the p-electrode, In a group III nitride semiconductor light emitting device having an n-electrode positioned on an n-type layer, a groove formed in a wiring pattern having a depth reaching the n-type layer from the p-electrode side surface of the p-type layer And an auxiliary electrode formed in a wiring pattern that is in contact with the n-type layer at the bottom surface of the groove and not in contact with the side surface of the groove, and the auxiliary electrode and the light-transmitting insulation covering the bottom and side surfaces of the groove A group III nitride semiconductor light-emitting device, wherein the area of the n-electrode is smaller than the area of the auxiliary electrode .
ここでIII 族窒化物半導体とは、一般式Alx Gay Inz N(x+y+z=1、0≦x、y、z≦1)で表される半導体であり、Al、Ga、Inの一部を他の第3B族元素(第13族元素)であるBやTlで置換したもの、Nの一部を他の第5B族元素(第15族元素)であるP、As、Sb、Biで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Gaを少なくとも含むGaN、InGaN、AlGaN、AlGaInNを示す。n型不純物としてはSi、p型不純物としてはMgが通常用いられる。
Here, the group III nitride semiconductor is a semiconductor represented by the general formula Al x Ga y In z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x, y, z ≦ 1), and a part of Al, Ga, and In Is replaced with other Group B elements (
n電極は、円形や角形のパッド部のみであってもよいし、パッド部と配線部からなるものであってもよい。n電極のパターンは任意のパターンでよいが、発光の均一性を高めるために対称性を有したパターンが望ましい。たとえば、中央に設けられたパッド部から放射状に配線部が伸びたパターンや、配線部を矩形としてその矩形の頂点位置に2つのパッド部を設けたパターンなどである。 The n electrode may be only a circular or square pad part, or may be composed of a pad part and a wiring part. The n-electrode pattern may be any pattern, but a symmetrical pattern is desirable to improve the uniformity of light emission. For example, there are a pattern in which a wiring portion extends radially from a pad portion provided in the center, a pattern in which a wiring portion is a rectangle, and two pad portions are provided at the vertex positions of the rectangle.
溝および補助電極は任意の配線状のパターンでよいが、発光の均一性を高めるために対称性を有した配線状のパターンが望ましい。たとえば、格子状、ストライプ状、放射状の配線パターンや、それらを複合させた配線パターンなどである。溝のパターンと補助電極のパターンは一致していなくてもよく、補助電極のパターンが溝のパターンの一部であってもよい。また、補助電極の一部とn電極の一部ないし全部とが、素子面に垂直な方向において対向するパターンであることが望ましく、その対向する領域がなるべく広いことが望ましい。補助電極とn電極との間で導通し易くなり、補助電極による素子面方向への電流拡散がより容易になるからである。また、n電極直下の活性層からの光は、n電極によって遮蔽してしまうので、n電極と対向する領域に溝および補助電極を形成して発光しないようにする方が損失を低減できて有利だからである。特に、n電極のパッド部と素子面に垂直な方向において対向する位置に、そのパッド部に等しい面積、形状で補助電極の一部を設けることが望ましい。また、溝および補助電極の一部を、発光領域の外側を囲う配線パターンとするとよい。ここで発光領域は、発光素子に電圧を印加して発光させたときに発光している領域であり、活性層形成領域とp電極の形成領域とが重なる領域にほぼ一致した領域である。溝および補助電極の一部をこのようなパターンとすると、従来は素子側面から放射されていた光を溝の側面によってn型層側へ反射させることができるので、素子側面からの光の放射が減少し、上面からの放射が増加するが、一般に素子側面から放射される光は有効活用されることがないため、実質的な高効率化を図ることができる。 The groove and the auxiliary electrode may be an arbitrary wiring pattern, but a symmetrical wiring pattern is desirable in order to improve the uniformity of light emission. For example, a grid pattern, a stripe pattern, a radial pattern, a combined pattern of these, and the like. The pattern of the groove and the pattern of the auxiliary electrode do not need to match, and the pattern of the auxiliary electrode may be a part of the pattern of the groove. Further, it is desirable that a part of the auxiliary electrode and a part or all of the n-electrode are opposed to each other in a direction perpendicular to the element surface, and the opposed region is desirably as wide as possible. This is because conduction between the auxiliary electrode and the n electrode is facilitated, and current diffusion in the element surface direction by the auxiliary electrode becomes easier. In addition, since light from the active layer directly under the n electrode is shielded by the n electrode, it is advantageous to reduce the loss by forming a groove and an auxiliary electrode in a region facing the n electrode so as not to emit light. That's why. In particular, it is desirable to provide a part of the auxiliary electrode with the same area and shape as the pad portion at a position facing the pad portion of the n electrode in the direction perpendicular to the element surface. In addition, a part of the groove and the auxiliary electrode may be a wiring pattern that surrounds the outside of the light emitting region. Here, the light-emitting region is a region that emits light when a voltage is applied to the light-emitting element, and substantially coincides with a region where the active layer formation region and the p-electrode formation region overlap. If a part of the groove and the auxiliary electrode has such a pattern, the light emitted from the side surface of the element can be reflected to the n-type layer side by the side surface of the groove. Although the emission from the upper surface decreases and the light emitted from the side surface of the element is generally not effectively used, a substantial increase in efficiency can be achieved.
また、補助電極の面積は、n電極の面積よりも広い。n電極の面積を減らし、補助電極の面積を増やすことによって、発光の均一性を維持したまま光取り出し効率を向上させることができるからである。特に、n電極の面積を素子面積の1〜10%とし、補助電極の面積を素子面積の4〜16%とすると、より光取り出し効率を向上させることができるので望ましい。 The area of the auxiliary electrode is wider than the area of the n electrode . This is because by reducing the area of the n-electrode and increasing the area of the auxiliary electrode, it is possible to improve the light extraction efficiency while maintaining the uniformity of light emission. In particular, it is preferable that the area of the n electrode is 1 to 10% of the element area and the area of the auxiliary electrode is 4 to 16% of the element area because the light extraction efficiency can be further improved.
また、n電極と補助電極は、溝の一部領域がn型層を貫通するようにする等の構造によって、部分的に連続させてもよい。ただし、その連続する領域を広くとることは望ましくない。補助電極がIII 族窒化物半導体のn型層の+c面と接触する面積が小さくなり、素子面方向に電流を拡散させる効果が低くなるからである。 Further, the n electrode and the auxiliary electrode may be partially continuous by a structure such that a partial region of the groove penetrates the n-type layer. However, it is not desirable to widen the continuous area. This is because the area where the auxiliary electrode comes into contact with the + c plane of the n-type layer of the group III nitride semiconductor is reduced, and the effect of diffusing current in the element plane direction is reduced.
溝の側面は、溝の素子面方向における断面積がn型層側に向かって減少するように傾斜を持たせることが望ましい。素子面方向に伝搬する光を溝の側面によってn型層側へ反射させることができ、光取り出し効率をより向上させることができるからである。溝の側面が素子面に対して成す角度は、30〜85°が望ましい。30°未満の角度、または85°より大きい角度では、十分に光取り出し効率を向上させることができないからである。さらに望ましい角度は40〜80°である。 It is desirable that the side surface of the groove be inclined so that the cross-sectional area in the element surface direction of the groove decreases toward the n-type layer side. This is because light propagating in the element surface direction can be reflected to the n-type layer side by the side surface of the groove, and the light extraction efficiency can be further improved. The angle formed by the side surface of the groove with respect to the element surface is preferably 30 to 85 °. This is because the light extraction efficiency cannot be sufficiently improved at an angle of less than 30 ° or an angle of greater than 85 °. A more desirable angle is 40 to 80 °.
補助電極の材料は、従来よりIII 族窒化物半導体のn型層の+c面(Ga極性面)にコンタクトをとるためのn電極材として知られている任意の材料を用いることができる。たとえば、V/Ni、Ti/Al、V/Au、Ti/Au、Ni/Auなどの材料を補助電極に用いることができる。n電極の材料は、補助電極の材料と同じものを使用することができるが、III 族窒化物半導体のn型層の−c面(N極性面)に良好なコンタクトを取ることができる他の材料を用いてもよい。 As the material of the auxiliary electrode, any material conventionally known as an n-electrode material for making contact with the + c plane (Ga polar plane) of the n-type layer of the group III nitride semiconductor can be used. For example, materials such as V / Ni, Ti / Al, V / Au, Ti / Au, and Ni / Au can be used for the auxiliary electrode. The material of the n-electrode can be the same as the material of the auxiliary electrode, but other materials that can make good contact with the -c plane (N-polar plane) of the n-type layer of the group III nitride semiconductor Materials may be used.
n型層表面には、KOH、NaOH、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)、リン酸などの水溶液によるウェットエッチングによって微細な凹凸を設け、光取り出し効率を向上させることが望ましい。微細な凹凸を設ける場合、n電極形成領域には微細な凹凸を設けず、平坦なままとすることが望ましい。n電極と微細な凹凸との間で光が多重反射して減衰してしまい、光取り出し効率が悪化してしまうのを防止するためである。 It is desirable to improve the light extraction efficiency by providing fine irregularities on the n-type layer surface by wet etching with an aqueous solution of KOH, NaOH, TMAH (tetramethylammonium hydroxide), phosphoric acid or the like. In the case of providing fine unevenness, it is desirable that the n electrode formation region is not provided with fine unevenness and remains flat. This is to prevent light from being reflected and attenuated between the n-electrode and the fine irregularities, thereby deteriorating the light extraction efficiency.
絶縁膜は、電流のリークやショートを防止するために設けるものである。絶縁膜には発光素子の発光波長に対する透光性と絶縁性とを有した材料であれば任意の材料を用いることができ、たとえば、SiO2 、Al2 O3 、Si3 N4 、TiO2 などを用いることができる。絶縁膜を介して溝の側面や底面には高反射層を設けることが望ましい。また、高反射な材料からなるp電極が上記高反射層であってもよい。また、絶縁膜を介して溝の側面や底面に誘電体多層膜を設けたり、絶縁膜自体を誘電体多層膜としたりして、反射率を高めた構造としてもよい。 The insulating film is provided to prevent current leakage and short circuit. Any material can be used for the insulating film as long as the material has translucency and insulating properties with respect to the emission wavelength of the light emitting element. For example, SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , TiO 2 can be used. Etc. can be used. It is desirable to provide a highly reflective layer on the side surface and bottom surface of the groove via an insulating film. Further, the p electrode made of a highly reflective material may be the highly reflective layer. Alternatively, a dielectric multilayer film may be provided on the side surface and bottom surface of the groove via an insulating film, or the insulating film itself may be a dielectric multilayer film to increase the reflectivity.
III 族窒化物半導体の成長基板は、サファイアが一般的であるが、他にもSiC、ZnO、スピネル、などを用いることができる。また、支持体には、Si、Ge、GaAs、Cu、Cu−Wなどの基板を用いることができ、金属層を介してp電極と支持体を接合することで、支持体上にp電極を形成することができる。金属層には、Au−Sn層、Au−Si層、Ag−Sn−Cu層、Sn−Bi層などの金属共晶層を用いることができ、Au層、Sn層、Cu層などを用いることもできる。また、p電極上に直接めっきやスパッタなどによってCuなどの金属層を形成して支持体としてもよい。 The group III nitride semiconductor growth substrate is generally sapphire, but other materials such as SiC, ZnO, and spinel can be used. In addition, a substrate such as Si, Ge, GaAs, Cu, or Cu-W can be used as the support, and the p electrode is attached on the support by bonding the p electrode and the support through a metal layer. Can be formed. As the metal layer, a metal eutectic layer such as an Au—Sn layer, an Au—Si layer, an Ag—Sn—Cu layer, or a Sn—Bi layer can be used, and an Au layer, a Sn layer, a Cu layer, or the like is used. You can also. Further, a metal layer such as Cu may be formed directly on the p-electrode by plating, sputtering, or the like to form a support.
第2の発明は、第1の発明において、溝の側面は、溝の素子面方向における断面積がn型層側に向かって減少する傾斜を有する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。 A second aspect of the invention is Oite to the first invention, the side surfaces of the groove has an inclined sectional area of the element surface direction of the groove decreases toward the n-type layer side, III-nitride, characterized in that It is a semiconductor light emitting device.
第3の発明は、第1の発明または第2の発明において、補助電極の少なくとも一部は、n電極の一部ないし全部と対向する位置に形成されている、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。 A third invention is a group III nitride according to the first invention or the second invention, wherein at least part of the auxiliary electrode is formed at a position facing part or all of the n electrode. A semiconductor light emitting device.
第4の発明は、第1の発明から第3の発明において、溝および補助電極の一部は、発光領域の外側を囲む外周配線状部を有することを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。 A fourth invention is a group III nitride semiconductor light emitting device according to the first to third inventions, wherein the groove and part of the auxiliary electrode have an outer peripheral wiring portion surrounding the outside of the light emitting region It is.
第5の発明は、第1の発明から第4の発明において、補助電極は、V/Al、Ti/Al、V/Au、Ti/Au、またはNi/Auから成ることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。 According to a fifth invention, in the first to fourth inventions, the auxiliary electrode is made of V / Al, Ti / Al, V / Au, Ti / Au, or Ni / Au. This is a nitride semiconductor light emitting device.
第1の発明では、n電極と導通し、素子面方向への電流拡散を補助するための補助電極を設けている。この補助電極は、溝の底面であるIII 族窒化物半導体のn型層の+c面と接触しているので、コンタクト抵抗が低い。そのため、補助電極によって素子面方向に効率的に電流を拡散させることができ、発光の均一性を高めることができる。その結果、n電極によって面方向への電流の拡散を図る必要性が少なくなり、n電極の占める面積を低減することができ、n電極の存在による光取り出しの阻害が減少し、光取り出し効率を向上させることができる。 In the first invention, an auxiliary electrode is provided which is electrically connected to the n electrode and assists current diffusion in the element surface direction. Since the auxiliary electrode is in contact with the + c plane of the n-type layer of the group III nitride semiconductor which is the bottom surface of the groove, the contact resistance is low. Therefore, the current can be efficiently diffused in the element surface direction by the auxiliary electrode, and the uniformity of light emission can be improved. As a result, it is less necessary to spread the current in the plane direction by the n electrode, the area occupied by the n electrode can be reduced, the obstruction of light extraction due to the presence of the n electrode is reduced, and the light extraction efficiency is improved. Can be improved.
また、発光の均一性を損なうことなく、n電極の存在による光取り出しの阻害をさらに減少させることができ、光取り出し効率をより向上させることができる。 Further, without impairing the uniformity of light emission, further can reduce the inhibition of light extraction due to the presence of the n-electrode, it is possible to improve the light extraction efficiency.
また、補助電極による素子面方向への電流の拡散性が向上し、発光の均一性をより高めることができる。 Further, to improve the diffusion of the current to the element surface direction by the auxiliary electrode, it is possible to enhance the uniformity of light emission.
また、第2の発明によると、溝の側面によって素子の面内に閉じ込められていた光を上方へ反射させることができ、光取り出し効率を向上させることができる。 Further, according to the second invention, the light confined in the surface of the element by the side surface of the groove can be reflected upward, and the light extraction efficiency can be improved.
また、第3の発明によると、n電極と補助電極との間の導通が容易となり、素子面方向の電流の拡散性が向上するため、発光の均一性をより高めることができる。 In addition, according to the third invention, conduction between the n electrode and the auxiliary electrode is facilitated, and the current diffusibility in the element surface direction is improved, so that the uniformity of light emission can be further improved.
また、第4の発明によると、素子側面からの光の放射が減少し、素子上面からの放射が増加するため、実質的な高効率化を図ることができる。 In addition, according to the fourth invention, since light emission from the side surface of the element is reduced and radiation from the upper surface of the element is increased, a substantial increase in efficiency can be achieved.
また、第5の発明のように、補助電極の材料として、V/Al、Ti/Al、V/Au、Ti/Au、Ni/Auを用いることができる。 As in the fifth invention, V / Al, Ti / Al, V / Au, Ti / Au, and Ni / Au can be used as the auxiliary electrode material.
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
図1は、実施例1の発光素子100の構造を示した断面図であり、図2は発光素子100を上面からみた図である。図2のように、発光素子100は平面視で正方形であり、図1のように、支持体101と、支持体101上に低融点金属層102を介して接合されたp電極103と、p電極103上に順に積層されたIII 族窒化物半導体からなるp型層104、活性層105、n型層106と、n型層106上に形成されたn電極107と、によって構成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of the
支持体101には、Si、GaAs、Cu、Cu−Wなどからなる導電性基板を用いることができる。低融点金属層102には、Au−Sn層、Au−Si層、Ag−Sn−Cu層、Sn−Bi層などの金属共晶層を用いることができ、低融点金属ではないが、Au層、Sn層、Cu層などを用いることもできる。なお、低融点金属層102を用いて支持体101とp電極103とを接合するのではなく、p電極103上に直接めっきやスパッタなどによってCuなどの金属層を形成して支持体101としてもよい。p電極103は、Ag、Rh、Pt、Ruやこれらの金属を主成分とする合金などの高光反射率で低コンタクト抵抗な金属である。他にp電極103の材料として、Ni、Ni合金、Au合金などを用いることもでき、ITOなどの透明電極膜と高反射金属膜からなる複合層であってもよい。
As the
p型層104、活性層105、n型層106は、従来より発光素子の構成として知られている任意の構成でよい。p型層104は、たとえば、支持体101側から順に、GaNからなるMgがドープされたpコンタクト層、AlGaNからなるMgがドープされたpクラッド層が積層された構造である。活性層105は、たとえば、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。n型層106は、たとえば、活性層105側から順に、GaNからなるnクラッド層、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、が積層された構造である。
The p-
p型層104のp電極103と接合している側の表面には、溝108が形成されている。この溝108は、p型層104、活性層105を貫通し、n型層106に達する深さである。溝108の側面は、p型層104からn型層106に向かうにつれ素子面方向の断面積が減少するよう傾斜しており、溝108の底面は素子面に平行である。
A
溝108側面の傾斜角度は、素子面方向に対して30〜85度であることが望ましく、40〜80度であるとより望ましい。光取り出し効率をより向上させることができるからである。
The inclination angle of the side surface of the
溝108の底面にはn型層106が露出しており、補助電極109はこのn型層106が露出した溝108の底面に接し、溝108の側面には接しないよう形成されている。また、溝108の側面、補助電極109の形成されていない溝108の底面、補助電極109に連続してSiO2 からなる絶縁膜110が形成されている。この絶縁膜110は、溝108の側面とp電極103との間、および補助電極109とp型層104との間での短絡を防止するために設けたものである。補助電極109には、従来よりIII 族窒化物半導体のn型層の+c面にコンタクトをとるn電極材として使用されているものを用いることができる。たとえば、V/Ni、Ti/Al、V/Au、Ti/Au、Ni/Auなどの材料を用いることができる。
The n-
なお、絶縁膜110は、発光素子100の発光波長に対する透光性と絶縁性を有した材料からなるものであればよく、SiO2 以外に、Al2 O3 、Si3 N4 、TiO2 などを用いることができる。
The insulating
溝108の側面と補助電極109との間には絶縁膜110を介して隙間が生じているが、この隙間は高反射な金属からなるp電極103で埋められており、溝108の側面における光の反射率を高め、より効率的に光をn型層106側へ反射できる構造としている。p電極103で隙間を埋めるのに替えて、溝108の側面に絶縁膜110を介して高反射な金属膜を別途設けたり、屈折率のことなる複数の誘電体からなる誘電体多層膜を形成することにより、光取り出し効率を向上させてもよい。
A gap is formed between the side surface of the
n電極107は、図2に示すように、素子中央部に円形のパッド部のみを有した形状であり、電流拡散性を向上させるための配線状の部分を有していない。n電極107には、補助電極109と同様の材料、つまり、従来よりIII 族窒化物半導体のn型層の+c面(Ga極性面)にコンタクトをとるn電極材として使用されているものを用いることができる。ただし、これらの材料ではn電極107の形成されるIII 族窒化物半導体のn型層の−c面(N極性面)に対して十分に低いコンタクト抵抗を実現することが難しいため、n型III 族窒化物半導体の−c面に対してより低いコンタクト抵抗を実現することができる材料を用いてもよい。
As shown in FIG. 2, the n-
図3は、補助電極109の平面パターンを示した図である。溝108の平面パターンも補助電極109の平面パターンとほぼ同様の形状であり、以下では補助電極109の平面パターンについてのみ説明する。補助電極109は、図3に示されているように、素子面に垂直な方向においてn電極107に対向する位置(素子中央部)に、そのn電極107と形状、大きさをほぼ同じくして円形部分109aを有している。さらに補助電極109は、その円形部分109aから、正方形の対角線方向に伸びた4本の配線状部分109bを有している。さらに補助電極109は、発光素子100の発光領域の外周111を囲む正方形の配線状部分109cを有し、配線状部分109cの内側に同じく正方形の配線状部分109dを有している。なお、発光領域の外周111は、図2において正方形の点線で示した部分であり、発光領域はp電極103の形成領域であって、かつ、活性層105の形成領域である領域にほぼ一致した領域である。
FIG. 3 is a diagram showing a planar pattern of the
補助電極109の一部である円形部分109aを素子面に垂直な方向においてn電極107に対向する位置に設けたのは、n電極107と補助電極109との間でより円滑に電流が流れるようにすることができるからである。また、元来その対向する位置での発光は、n電極107によって遮られてほとんど光を取り出すことができないのであるから、対向する位置に溝108を形成して発光させないようにする方が光出力を向上させることができて望ましい、というのも理由の1つである。
The
また、補助電極109の一部として発光領域の外周を囲む配線状部分109cを設けたのは、以下の理由による。配線状部分109cを形成する場合、この配線状部分109cは溝108の底面に形成されるものであるから、当然に溝108の一部も発光領域の外周を囲む正方形の配線状に形成される。従来、素子の側面から放射されていた光は、発光素子100ではこの発光領域の外周を囲む溝108の側面によってn型層106側へと反射される。一般に素子の側面から放射される光は有効活用されることがないものであるから、配線状部分109cによってn型層106側へ反射させる構造の発光素子100では、実質的な効率が向上している。
The reason why the wiring-
n型層106のn電極107と接合している側の表面には、n電極107が形成されている領域を除いて微細な凹凸113が形成されている。微細な凹凸113は、微小な六角錐が多数形成されたものであり、その六角錐の側面は、素子面方向に対して約60度の角を成している。この微細な凹凸113により、光取り出し効率を向上させている。n型層106のn電極107が接合している側の表面のn電極107形成領域については微細な凹凸113を形成せず、平坦なままとしているが、これはn電極107の裏面と微細な凹凸113の表面との間で光が多重反射して減衰し、光取り出し効率を悪化させてしまうのを防止するためである。
On the surface of the n-
この発光素子100では、p型層104側からn型層106に達する溝108を形成し、その溝108底面に補助電極109を設けている。ここで、溝108底面は、III 族窒化物半導体であるn型層106の+c面であり、補助電極109は溝108底面に十分低抵抗にコンタクトを取ることができる。そのため、n電極107から供給され、n型層106を通って補助電極109に達した電子は、配線状に形成された補助電極109を流れて素子面方向へ広く拡散させることができ、発光の均一性を高めることができる。この補助電極109を設けたことによって素子面方向への電流拡散性が向上した分、n電極107によって面方向へ電流を拡散させる必要性が小さくなり、n電極107の占める面積を従来の発光素子に比べて小さくすることができる。実際に発光素子100のn電極107では、パッド部のみの形状とし、配線状の部分を有しておらず、n電極107の占める面積は従来の発光素子に比べて小さくなっていて、補助電極109の面積よりもn電極107の面積は小さくなっている。n電極107の面積が小さくなると、n電極107によって光が反射、吸収されて遮られる割合が減少し、光取り出し効率が向上する。以上のように、発光素子100では、発光の均一性を損なうことなく、光取り出し効率が向上された構造となっている。
In the
また、溝108の側面がp型層104からn型層106に向かうにつれ素子面方向の断面積が減少するよう傾斜しているため、溝108の側面によって素子面方向に伝搬する光をn型層106側へと反射させることができ、光取り出し効率を向上させることができる。また、溝108の一部は、発光領域の外側を囲うように形成されているため、従来素子の側面から放射されていた光は溝108の側面によってn型層106側へ反射される。素子の側面から放射されていた光は、一般的に有効活用されることがなかったものであるから、溝108の一部を発光領域の外側を囲うように形成したことで、実質的に効率が高められている。
Further, since the side surface of the
次に、発光素子100の製造工程について図4を参照に説明する。
Next, a manufacturing process of the
まず、サファイア基板115上に、MOCVD法によってIII 族窒化物半導体からなるn型層106、活性層105、p型層104を順に積層させる(図4.A)。MOCVD法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア(NH3 )、Ga源として、トリメチルガリウム(Ga(CH3 )3 )、In源として、トリメチルインジウム(In(CH3 )3 )、Al源として、トリメチルアルミニウム(Al(CH3 )3 )、n型ドーピングガスとして、シラン(SiH4 )、p型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5 H5 )2 )、キャリアガスとしてH2 とN2 である。サファイア基板115の表面には凹凸加工が施されていてもよい。また、サファイア基板115以外にもSiC、ZnO、スピネル、などを用いることができる。
First, an n-
次に、p型層104上に、溝108を形成する領域に窓を開けたパターンのSiO2 からなるマスクを形成し、塩素系ガスプラズマを用いたドライエッチングを行う。これにより、補助電極109のパターン形状にほぼ一致したn型層106に達する深さの溝108が形成される。その後、マスクはバッファードフッ酸等により除去する(図4.B)。
Next, a mask made of SiO 2 having a pattern in which a window is opened in a region where the
次に、溝108の底面に接し、かつ、溝108の側面には接しないようにして溝108の側面から距離をとって、補助電極109を形成する(図4.C)。補助電極109のアロイ処理は、補助電極109形成後のいずれのタイミングで行ってもよく、補助電極109のアロイ化のみを目的に行ってもよいし、のちに形成するp電極103とともにアロイ化を行ってもよい。
Next, the
続いて、溝108の側面、補助電極109が形成されていない溝108の底面、補助電極109の側面、補助電極109の上面に連続して膜状に絶縁膜110を形成し、絶縁膜110によって補助電極109、および溝108の側面を覆う(図4.D)。
Subsequently, an insulating
次に、p電極103をスパッタ法によってp型層104上および絶縁膜110上に形成し、さらにその上に低融点金属層102を形成する(図4.E)。
Next, the p-
次に、支持体101を用意し、低融点金属層102を介して、支持体101とp電極103を接合する(図4.F)。なお、p電極103と低融点金属層102との間に図示しない拡散防止層をあらかじめ形成しておき、低融点金属層102の金属がp電極103側に拡散するのを防止するとよい。
Next, the
そして、サファイア基板115側からレーザー光を照射して、レーザーリフトオフにより、サファイア基板115を分離除去する(図4.G)。
Then, laser light is irradiated from the
次に、サファイア基板115の除去により露出したn型層106表面であって、のちにn電極107を形成する領域に、SiO2 からなるマスクを形成し、濃度22%のTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液にウェハを浸漬することで、マスクに覆われていないn型層106表面の領域に微細な凹凸113を形成する。その後マスクをバッファードフッ酸により除去する(図4.H)。これにより、n型層106表面のn電極107形成領域以外には微細な凹凸113が形成され、n電極107形成領域は微細な凹凸113が形成されずに平坦なままとなる。微細な凹凸113の形成にはTMAH以外にもKOHやNaOHなどの水溶液を用いることもできる。
Next, a mask made of SiO 2 is formed on the surface of the n-
次に、微細な凹凸113が形成されていない平坦なn型層106上に、n電極107を、レジストを用いたリフトオフ法によって形成する。そして、支持体101を研磨して薄くし、支持体101の低融点金属層102側とは反対側の表面に裏面電極(図示しない)を形成し、レーザーダイシングによるチップ分離を行って図1に示す発光素子100が製造される。
Next, the n-
なお、n電極および補助電極のパターンは、実施例1に示したものに限るものではなく、任意のパターンでよい。ただし、素子面方向の電流の拡散性を向上させ、発光の均一性を高めるために対称性を有したパターンが望ましい。また、補助電極の一部とn電極の一部ないし全部とが、素子面に垂直な方向において対向するパターンであることが望ましく、その対向する領域がなるべく広いことが望ましい。また、補助電極の一部は発光領域の外周を囲む配線状部分を有していることが望ましい。以下、n電極および補助電極のパターン例を列挙する。 The n electrode and auxiliary electrode patterns are not limited to those shown in the first embodiment, and may be any patterns. However, a symmetrical pattern is desirable in order to improve the current diffusibility in the element surface direction and improve the uniformity of light emission. Further, it is desirable that a part of the auxiliary electrode and a part or all of the n-electrode are opposed to each other in a direction perpendicular to the element surface, and the opposed region is desirably as wide as possible. Further, it is desirable that a part of the auxiliary electrode has a wiring-like portion surrounding the outer periphery of the light emitting region. Examples of n electrode and auxiliary electrode patterns are listed below.
図5(a)は他のn電極206のパターン、図5(b)は他の補助電極209のパターンを示した図である。n電極206は、図5(a)に示すように、平面視で正方形の発光素子において正方形の対角位置に2つのパッド部206aを有している。パッド部206aの形状は正方形である。また、n電極206は、発光領域の外周211の内部に、パッド部206aに接続する正方形の配線状部分206bを有している。一方、補助電極209は、素子面に垂直な方向においてパッド部206aと対向する位置に、そのパッド部206aと面積、形状を同じくする2つの正方形部分209aを有している。また、補助電極209は、2つの正方形部分209aに接続する格子状部分209bを有している。この図5に示したn電極206および補助電極209のパターンは、いずれも正方形の対角線に対して線対称であり、n電極206のパッド部206aと補助電極209の正方形部分209aが対向し、n電極206の面積は補助電極209の面積よりも小さいパターンとなっている。したがって、発光素子の発光の均一性を損なうことなく、光取り出し効率を向上させることができる。
FIG. 5A shows a pattern of another n-
図6(a)は他のn電極306のパターン、図6(b)は他の補助電極309のパターンを示した図である。n電極306は、図6(a)に示すように、平面視で正方形の発光素子において正方形の中央に円形のパッド部306aを有している。また、n電極306は、パッド部306aから十字型に伸びる配線状部分306bを有している。一方、補助電極309は、素子面に垂直な方向においてパッド部306aと対向する位置に、そのパッド部306aと面積、形状を同じくする円形部分309aを有している。また、補助電極309は、円形部分309aに接続する田の字型の格子状部分309bを有している。この格子状部分309bの中央の十字型部分は、素子面に垂直な方向において、n電極306の配線状部分306bに対向している。この図6に示したn電極306および補助電極309のパターンは、いずれも対称性を有したパターンであり、n電極306のパッド部306aと補助電極309の円形部分309a、およびn電極306の配線状部分306bと補助電極309の格子状部分309bの十字型部分が対向し、n電極306の面積は補助電極309の面積よりも小さいパターンとなっている。したがって、発光素子の発光の均一性を損なうことなく、光取り出し効率を向上させることができる。
FIG. 6A shows a pattern of another n-
図7(a)は他のn電極406のパターン、図7(b)は他の補助電極409のパターンを示した図である。n電極406は、図7(a)に示すように、平面視で正方形の発光素子において正方形の対角位置に2つのパッド部406aを有している。パッド部406aの形状は正方形である。また、n電極406は、発光領域の外周411を囲い、パッド部406aに接続する正方形の配線状部分406bを有している。一方、補助電極409は、素子面に垂直な方向において2つのパッド部406aと対向する位置に、そのパッド部406aと面積、形状を同じくする四角形部分409aを有している。また、補助電極409は、発光領域の外周411を囲い、四角形部分409aに接続する田の字型の格子状部分409bを有している。この格子状部分409bの外周部分は、素子面に垂直な方向において、n電極406の配線状部分406bに対向している。この図7に示したn電極406および補助電極409のパターンは、いずれも対称性を有したパターンであり、n電極406のパッド部406aと補助電極409の正方形部分409a、およびn電極406の配線状部分406bと補助電極409の格子状部分409bの外周部分が対向し、n電極406の面積は補助電極409の面積よりも小さいパターンとなっている。したがって、発光素子の発光の均一性を損なうことなく、光取り出し効率を向上させることができる。また、n電極406の配線状部分406bは、発光領域の外周411を囲う位置に形成されているため、発光領域の外周411よりも内側にn電極406を配置する場合よりも光を阻害する効果が低く、光取り出し効率が向上している。
FIG. 7A shows a pattern of another n-
図8(a)は他のn電極506のパターン、図8(b)は他の補助電極509のパターンを示した図である。n電極506は、図8(a)に示すように、平面視で正方形の発光素子において正方形の対角位置に2つのパッド部506aを有している。パッド部506aの形状は正方形である。また、n電極506は、発光領域の外周511の内側に、パッド部506aに接続する正方形の配線状部分506bを有している。一方、補助電極509は、格子状のパターンを有していて、発光領域の外周511を囲う正方形の配線状部分509aを有している。n電極506の2つのパッド部506aの一部と、補助電極509の配線状部分509aの一部が、素子面に垂直な方向において対向している。この図8に示したn電極506および補助電極509のパターンは、いずれも対称性を有したパターンであり、n電極506の面積は補助電極509の面積よりも小さいパターンとなっている。したがって、発光素子の発光の均一性を損なうことなく、光取り出し効率を向上させることができる。
FIG. 8A shows a pattern of another n-
また、実施例において、n電極と補助電極との対向するn型層の領域をn型層表面側からエッチングして溝を形成し、その溝の底面にn電極を形成するようにしてもよい。n電極と補助電極との対向する領域のn型層の厚さが薄くなり、n電極と補助電極との間の導通がより容易となるため、n電極の面積を低減して光取り出し効率をさらに向上させることが可能となる。 In the embodiment, a region of the n-type layer facing the n-electrode and the auxiliary electrode may be etched from the n-type layer surface side to form a groove, and the n-electrode may be formed on the bottom surface of the groove. . Since the thickness of the n-type layer in the region where the n electrode and the auxiliary electrode face each other is reduced and the conduction between the n electrode and the auxiliary electrode becomes easier, the area of the n electrode is reduced and the light extraction efficiency is improved. Further improvement is possible.
また、実施例では、サファイア基板の除去にレーザーリフトオフを用いているが、サファイア基板とn型層との間に薬液に溶解させることができるバッファ層を形成し、支持体との接合後に薬液によってバッファ層を溶解させてサファイア基板を分離除去するケミカルリフトオフを用いてもよい。 In the embodiment, laser lift-off is used to remove the sapphire substrate, but a buffer layer that can be dissolved in a chemical solution is formed between the sapphire substrate and the n-type layer, and the chemical solution is used after bonding to the support. Chemical lift-off in which the buffer layer is dissolved to separate and remove the sapphire substrate may be used.
本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置や表示装置などに用いることができる。 The group III nitride semiconductor light-emitting device of the present invention can be used for lighting devices, display devices, and the like.
101:支持体
102:低融点金属層
103:p電極
104:p型層
105:活性層
106:n型層
107:n電極
108:溝
109:補助電極
110:絶縁膜
111:発光領域の外周
113:微細な凹凸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101: Support body 102: Low melting-point metal layer 103: P electrode 104: P type layer 105: Active layer 106: N type layer 107: N electrode 108: Groove 109: Auxiliary electrode 110: Insulating film 111: Outer periphery of light emitting region 113 : Fine irregularities
Claims (5)
前記p型層の前記p電極側表面から前記n型層に達する深さであって配線状のパターンに形成された溝と、
前記溝の底面である前記n型層に接し、前記溝の側面には接しない配線状のパターンに形成された補助電極と、
前記補助電極、および前記溝の底面、側面を覆う透光性を有した絶縁膜と、
を有し、
前記n電極の面積は前記補助電極の面積よりも小さい
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。 A conductive support, a p-electrode positioned on the support, a p-type layer made of a group III nitride semiconductor, an active layer, an n-type layer, and the n-type layer, which are sequentially positioned on the p-electrode A group III nitride semiconductor light-emitting device having an n-electrode positioned above,
A groove formed in a wiring-like pattern at a depth reaching the n-type layer from the p-electrode-side surface of the p-type layer;
An auxiliary electrode formed in a wiring pattern that is in contact with the n-type layer that is the bottom surface of the groove and not in contact with the side surface of the groove;
A transparent insulating film covering the auxiliary electrode and the bottom and side surfaces of the groove;
I have a,
A group III nitride semiconductor light emitting device, wherein the area of the n electrode is smaller than the area of the auxiliary electrode .
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