JP5319820B2 - 半導体発光ダイオード素子及び半導体発光装置 - Google Patents
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Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図1に表したように、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子101は、n型半導体層(第1半導体層)1と、p型半導体層(第2半導体層)2と、n型半導体層1とp型半導体層2との間に設けられた発光層3と、を有する積層構造体1sを有する。積層構造体1sは、p型半導体層2と発光層3とが選択的に除去されて、p型半導体層2の側の第1主面1aにn型半導体層1の一部が露出した構造を有している。
そして、半導体発光素子101の周辺部においては、p側電極4と絶縁層11とが重なる領域におけるp側電極2の外側の縁端から絶縁層11の内側の縁端までの距離は、矩形の対角線上の幅aの他、矩形の縦方向における幅a1及び矩形の横方向における幅a2を含むことができる。
一方、p側電極4の全面で発光光を反射するので、反射領域は広い。
n側電極7には任意の導電材料を用いることができ、また、Ti/Al/Ni/Auのように導電性の積層膜を用いることができる。また、n側電極7に銀または銀合金を含む単層膜または積層膜を用いることによって、さらに反射領域を広げることができ、光出力を向上させることができる。
絶縁層11には、発光層3からの発光光に対して透光性を有する任意の絶縁層を用いることができる。
図1に表したように、これらの半導体層の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによって、p型半導体層2及び発光層3を取り除く。露出したn型半導体層1を含む半導体層全体に、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)装置を用いて、絶縁層11となるSiO2膜を400nmの厚さで形成する。
すなわち、同図は、半導体発光素子の素子幅と電流注入領域幅との比と、光取り出し効率の関係を光線追跡によりシミュレーションした結果を例示している。
そして、同図(a)は、光線追跡シミュレーションに使用した半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。同図(b)は、シミュレーション結果を例示しており、横軸は、半導体発光素子の素子幅W1に対する電流注入領域幅Wxとの比R(すなわち、Wx/W1)を表し、縦軸は光取り出し効率Eを表している。ここで、電流注入領域は、p側電極4が積層構造体1sと直接接している領域であり、すなわち、絶縁層11が設けられていないp側電極4の領域である。なお、同図(a)では、半導体層は、発光層3を含む半導体層3aとして省略されて描かれている。
図2(a)に表したように、本シミュレーションでは半導体発光素子101の構造が左右対称であることから、上記の素子幅W1と電流注入領域幅Wxとは、それぞれ実際の幅の1/2とされている。また、基板10にはサファイアが用いられ、電流注入領域となるp側電極4にはAg膜が用いられているとされた。
また、反射されずに半導体発光素子の外側へ取り出された光のみを、光取り出し効率として換算している。
そして、中心部において絶縁層11がp型半導体層2と接触している領域の幅bを、半導体発光素子101の周辺部において絶縁層11がp型半導体層2と接触している領域の幅a(幅a1及び幅a2も含め)よりも狭くすることで、絶縁層11によって電流を狭窄し、半導体発光素子101の中心部に電流を集中して、半導体発光素子101内における発光領域を中心部に配置できる。
図3は、第1の比較例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図3に表したように、比較例の半導体発光素子90においては、p側電極4とp型コンタクト層(p型半導体層2)との間に絶縁層11が設けられておらず、p側電極4は、p型コンタクト層の上になるべく広い領域で形成されている。
n側電極7を形成するため、パターニングされたリフトオフ用レジストを半導体層上に形成し、n型コンタクト層上のSiO2膜をフッ化アンモン処理で取り除き、SiO2膜が取り除かれた領域に、n側電極7となるTi/Al/Ni/Au膜を500nmの膜厚で形成し、550℃の窒素雰囲気でシンター処理を行う。
このため、光取り出し効率が低く、また、光出力の再現性が低い。
図4は、第2の比較例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図4に表したように、第2の比較例の半導体発光素子91においては、本実施形態に係る半導体発光素子101と同様に、p側電極4の一部とp型コンタクト層(p型半導体層2)との間に絶縁層11が設けられている。ただし、第2の比較例の半導体発光素子91の場合は、p側電極4と絶縁層11とが重なる領域におけるp側電極4の外側の縁端から絶縁層11の内側の縁端までの距離は、半導体発光素子91の周辺部と中心部とで同じである。
また、高純度第2AlNバッファ層は、表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープGaNバッファ層の欠陥が低減されるが、そのためには高純度第2AlNバッファ層の膜厚は、1μmよりも厚いことが好ましい。また、歪みによるそり防止のためには、高純度第2AlNバッファ層の厚みは4μm以下であることが望ましい。高純度第2AlNバッファ層は、AlNに限定されず、AlxGa1−xN(0.8≦x≦1)でも良く、ウェーハのそりを補償することができる。
(第1の変形例)
半導体発光素子101においては、p側電極4として厚さ200nmのAg膜が用いられていたが、第1の変形例では、p側電極4として、厚さ200nmのAg/Ptからなる積層膜が用いられる。
また、本実施形態に係る半導体発光素子101の第2の変形例では、素子化工程においてレーザスクライバ装置を用いて、素子化される。
また、本実施形態に係る半導体発光素子101の第3の変形例では、n側電極7として、厚さ200nmのAg/Pt膜が採用される。
まず、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上のSiO2膜と、n型コンタクト層上のSiO2膜と、をフッ化アンモン処理で取り除く。その後、前記n型コンタクト層上のSiO2膜が取り除かれた領域と、前記p型コンタクト層上のSiO2膜が取り除かれた領域よりも広い領域と、が開口するようなレジストリフトオフ用のレジストを半導体層上に形成し、真空蒸着装置を用いてAg/Ptを200nmの膜厚で形成し、リフトオフ後に650℃の窒素雰囲気で1分間シンター処理を行う。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図5に表したように、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子102は、p側電極4を覆うように設けられ、導電性を有する保護層5(第1導電層)をさらに備える。なお、保護層5は、p側電極4と電気的に接触している。それ以外は、第1の実施形態に係る半導体発光素子101と同等とすることができるので説明を省略する。
また、p側電極4の外側の縁端から絶縁層11の内側の縁端までの距離は、n側電極7とp側電極4とが対向する部分(例えば幅b)よりも、n側電極7とp側電極4とが対向する部分以外の部分、すなわち、例えば、半導体発光素子102の周辺部(例えば幅a)、の方が長い。
そして、絶縁層11がp型半導体層2と接触している領域の幅は、半導体発光素子102の周辺部よりも中心部の方が狭い。
保護層5は、p型半導体層2とは直接接触せず、例えば、保護層5とp型半導体層2との間には、p側電極4及び絶縁層11の少なくともいずれかが配置される。
保護層5に用いる材料は、特に限定されるものではなく、金属の単層膜や多層膜、金属の合金層、導電性酸化物膜の単層膜や多層膜、これらの組み合わせであっても良い。
図6は、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図6に表したように、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子103は、p側電極4と保護層5との間に設けられ、導電性を有する拡散防止層6(第2導電層)をさらに備える。それ以外は、第2の実施形態に係る半導体発光素子102と同等とすることができるので説明を省略する。
すなわち、p側電極4を形成した後に、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを形成し、その後、拡散防止層6として、例えばW/Pt積層膜を6層分だけ積層する。(W/Pt)を6層積層した全体の厚さは、例えば900nmとされる。
そして、同じく、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを形成し、保護層5となる、例えばPt/Auを1000nmの膜厚で形成する。
図7は、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図7に表したように、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子104においては、絶縁層11におけるp側電極4とp型半導体層2との間に挟まれた部分の厚さは、絶縁層11におけるそれ以外の部分よりも薄い。それ例外は、第2の実施形態に係る半導体発光素子102と同等とすることができるので説明を省略する。
p側電極4を形成するため、まず、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上のSiO2膜をフッ化アンモン処理でエッチングする。その際、p型コンタクト層が露出しないように、フッ化アンモンの処理時間を調整する。具体的には、エッチングレート400nm/minの場合、1分以内、例えば40秒処理となる。その後、SiO2膜がエッチングされた領域よりも広い領域が開口するようなレジストリフトオフ用のレジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上のSiO2膜をフッ化アンモン処理でエッチングする。その際、前記エッチングで処理した領域のp型コンタクト層は露出させ、前記エッチングで処理していない領域のSiO2膜直下のp型コンタクト層は露出させないように、フッ化アンモンの処理時間を調整する。具体的には、エッチングレート400nm/minの場合、1分以内、例えば40秒処理となる。なお、上記のSiO2膜が絶縁層11となる。
図8は、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図8に表したように、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子105においては、n側電極7がp側電極4を取り囲むように設けられている。例えば、半導体発光素子105の素子の大きさは1000μm四方であり、素子の厚さは100μmである。
本実施形態に係る半導体発光素子105のように、素子の幅と厚さの比が大きい場合、素子内でより多く多重反射を繰り返すことになるため、テーパを設けて光の反射角を変えることによって、光取り出し効率が改善される効果はより高くなる。
図9は、本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図9に表したように、本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子106においては、n側電極7がp側電極4を取り囲むように設けられ、n側電極7はさらに、半導体発光素子106の中央部にも設けられている。本具体例では、素子の周辺部においては、p側電極4とp型半導体層2との間に絶縁層11が設けられているが、中央部においては、絶縁層11はp型半導体層2の上にのみ設けられており、p側電極4と絶縁層11とが重なる領域がない。それ以外は、第5の実施形態に係る半導体発光素子105と同様なので説明を省略する。
そして、例えば、周辺部におけるp側電極4の外側の縁端から絶縁層11の内側の縁端までの距離は、辺部における幅aであり、中心部におけるp側電極4の外側の縁端から絶縁層11の内側の縁端までの距離は、コーナー部における幅bである。そして、幅bは、幅aよりも狭くなっている。
図10は、本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図10に表したように、本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子107においては、n側電極7がp側電極4を取り囲むように設けられ、さらに、n側電極7が半導体発光素子107の中央部にも設けられている。そして、半導体発光素子107の周辺部及び中央部において、絶縁層11がp側電極4の一部とp型半導体層2との間に設けられている。これ以外は、半導体発光素子106と同様なので説明を省略する。
すなわち、半導体発光素子107においても、n側電極7がp側電極4を取り囲むように設けられ、そしてn側電極7は、コーナー部では、辺部に比べて幅が広くなっている。そして、p側電極4の縁端は、半導体発光素子107の辺部よりも、コーナー部において、半導体発光素子107の中心部側に位置している。
そして、例えば、周辺部におけるp側電極4の外側の縁端から絶縁層11の内側の縁端までの距離は、辺部における幅aであり、中心部におけるp側電極4の外側の縁端から絶縁層11の内側の縁端までの距離は、コーナー部における幅bである。そして、幅bは、幅aよりも狭くなっている。
図11に表したように、本発明の第7の実施形態に係る別の半導体発光素子108においては、n側電極7がp側電極4を取り囲むように設けられ、さらに、n側電極7が半導体発光素子108の中央部における2箇所に入りこむように設けられている。そして、半導体発光素子108の周辺部及び中央部において、絶縁層11がp側電極4の一部とp型半導体層2との間に設けられている。
図12は、本発明の第8の実施形態に係る半導体発光装置の構成を例示する模式的断面図である。
図12に表したように、本発明の第8の実施形態に係る半導体発光装置201は、上記の実施形態に係る半導体発光素子101〜108及びそれらの変形例のいずれかと、蛍光体と、を組み合わせた白色LEDである。すなわち、本実施形態に係る半導体発光装置201は、上記のいずれかの半導体発光素子と、前記半導体発光素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する蛍光体と、を備える。
なお、以下では、上記の半導体発光素子101と、蛍光体と、を組み合わせた場合として説明する。
赤色蛍光体としては、例えばY2O3、YVO4、Y2(P,V)O4等を母材として用いることができ、これに3価のEu(Eu3+)を付活物質として含ませる。すなわち、Y2O3:Eu3+、YVO4:Eu3+等を赤色蛍光体として用いることができる。Eu3+の濃度は、モル濃度で1%〜10%とすることができる。赤色蛍光体の母材としては、Y2O3、YVO4の他に、LaOSやY2(P, V)O4等を用いることができる。また、Eu3+の他にMn4+等を利用することもできる。特に、YVO4母体に、3価のEuと共に少量のBiを添加することにより、380nmの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。
緑色蛍光体としては、例えば3価のTbを発光中心とするY2SiO5:Ce3+,Tb3+を用いることができる。この場合、CeイオンからTbイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。緑色蛍光体としては、例えば、Sr4Al14O25:Eu2+等を用いることができる。
黄色蛍光体としては、例えばY3Al5:Ce3+等を用いることができる。
また、樹脂として、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。
特に、3価のTbは、視感度が最大となる550nm付近に鋭い発光を示すので、3価のEuの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
また、第2蛍光体層212に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が、効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。
これらの混色として、白色光やその他様々な色の光を、高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
なお、半導体発光素子101を作製する工程は、既に説明した方法を用いることができるので、以下では、半導体発光素子101が出来上がった後の工程について説明する。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
1a 第1主面
1b 第2主面
1s 積層構造体
2 p型半導体層(第2半導体層)
3 発光層
3a 半導体層
4 p側電極(第2電極)
5 保護層(第1導電層)
6 拡散防止層(第2導電層)
7 n側電極(第1電極)
10 基板
11 絶縁層
22 容器
23 反射膜
24 サブマウント
25 金バンプ
26 ボンディングワイヤ
27 蓋部
90、91、101〜108 半導体発光素子
201 半導体発光装置
211、212 蛍光体層
Claims (11)
- 第1半導体層と、第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有し、前記第2半導体層と前記発光層とが選択的に除去されて前記第2半導体層の側の第1主面に前記第1半導体層の一部が露出した積層構造体と、
前記積層構造体の前記第1主面上に設けられ、前記第1半導体層に接続された第1電極と、
前記積層構造体の前記第1主面上に設けられ、前記第2半導体層に接続され、前記発光層から発光する光に対して反射性を有する第2電極と、
前記第2電極の一部と前記第2半導体層との間に設けられ、前記光に対して透光性を有する絶縁層であって、前記第2半導体層と前記反射電極とのオーミック接触領域を制限して電流を狭窄する絶縁層と、
を備え、
前記第1主面は矩形であり、前記第1電極は前記矩形の1つのコーナー部に配置され、前記第2電極は、前記矩形の残余の領域において前記第1電極と対向するように配置され、
前記第2電極と前記絶縁層とが重なる領域における前記第2電極の外側の縁端から前記絶縁層の内側の縁端までの距離は、前記第1主面上において前記第1電極と前記第2電極とが対向する部分よりも、前記第1主面上において前記第1電極と前記第2電極とが対向する前記部分以外の部分において長く、
前記第2半導体層と前記絶縁層とが重なる幅は、前記第1主面の周辺部よりも中心部において短いことを特徴とする半導体発光ダイオード素子。 - 第1半導体層と、第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有し、前記第2半導体層と前記発光層とが選択的に除去されて前記第2半導体層の側の第1主面に前記第1半導体層の一部が露出した積層構造体と、
前記積層構造体の前記第1主面上に設けられ、前記第1半導体層に接続された第1電極と、
前記積層構造体の前記第1主面上に設けられ、前記第2半導体層に接続され、前記発光層から発光する光に対して反射性を有する第2電極と、
前記第2電極の一部と前記第2半導体層との間に設けられ、前記光に対して透光性を有する絶縁層であって、前記第2半導体層と前記反射電極とのオーミック接触領域を制限して電流を狭窄する絶縁層と、
を備え、
前記第2電極は、前記第1主面の中央部の少なくとも一部を除いた領域に設けられ、
前記第1電極は、前記第2電極を取り囲みつつ、前記第2電極が設けられていない前記中央部の少なくとも一部に設けられ、
前記第2電極と前記絶縁層とが重なる領域における前記第2電極の外側の縁端から前記絶縁層の内側の縁端までの距離は、前記第1主面の周辺部よりも前記中央部において短く、
前記第2半導体層と前記絶縁層とが重なる幅は、前記周辺部よりも前記中央部において短いことを特徴とする半導体発光ダイオード素子。 - 前記絶縁層は、前記第2半導体層及び前記発光層の側面、並びに、前記第1半導体層の前記第1主面、の少なくともいずれかにさらに設けられることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光ダイオード素子。
- 前記絶縁層における前記第2電極と前記第2半導体層との間に挟まれた部分の厚さは、前記絶縁層におけるそれ以外の部分よりも薄いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光ダイオード素子。
- 前記第2電極は、銀及び銀合金の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光ダイオード素子。
- 前記第2電極を覆うように設けられ、導電性を有する第1導電層をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光ダイオード素子。
- 前記第1導電層は、前記第2電極の全てを覆うことを特徴とする請求項6記載の半導体発光ダイオード素子。
- 前記第1導電層は、前記第2半導体層と直接接触していないことを特徴とする請求項6または7に記載の半導体発光ダイオード素子。
- 前記第1導電層は、銀を含まないことを特徴とする請求項6〜8のいすれか1つに記載の半導体発光ダイオード素子。
- 前記第1導電層と前記第2電極との間に設けられ、前記第1導電層に含まれる材料が前記第2電極に拡散することを抑制する第2導電層をさらに備えたことを特徴とする請求項6〜9のいずれか1つに記載の半導体発光ダイオード素子。
- 請求項1〜10のいずれか1つに記載の半導体発光ダイオード素子と、
前記半導体発光ダイオード素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する蛍光体と、
を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
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