JP5381822B2

JP5381822B2 - 半導体発光素子及びその製造方法

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Publication number: JP5381822B2
Application number: JP2010053748A
Authority: JP
Inventors: 真央神谷; 浩一五所野尾
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: JP2011187842A

Description

本発明は、第１導電型層、発光層及び第２導電型層をこの順で有する半導体積層体を備えた半導体発光素子及びその製造方法に関する。

従来、この種の半導体発光素子として、第１導電型半導体層と、第１導電型半導体層の上面の少なくとも一部に形成された発光層と、発光層の上に形成された第２導電型半導体層と、第２導電型半導体層の上面の少なくとも一部に形成された絶縁層と、第２導電型半導体層の上面の略全面に一部が絶縁層を介して形成された透光性導電膜と、絶縁層の上に透光性導電膜を介して形成されたパッド電極と、を備える半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。この発光素子では、絶縁層と第２導電型半導体層との間に、発光層からの光を反射する反射層が形成されている。

特開２００８−３００７１９号公報

しかしながら、特許文献１に半導体発光素子では、第１導電型半導体層上に形成される電極により、発光層から発せられる光が吸収されるため、さらなる光取り出し効率の向上が求められている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、素子の光取り出し効率をさらに向上させることのできる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。

本発明によれば、第１導電型層、発光層及び第２導電型層をこの順で有する半導体積層体と、前記第１導電型層上に形成され酸化物からなる透明電極と、前記半導体積層体において前記透明電極と同じ側に形成される前記第２導電型層上の第２導電型層用電極と、前記第１導電型層と前記透明電極の間に形成され、前記発光層から発せられる光の反射率が前記透明電極よりも高いＡｌ、Ａｇ、あるいはＲｈ、あるいはそれらの合金よりなる第１反射層と、前記第２導電型層と前記第２導電型層用電極の間に形成され、前記第１反射層と同じ材料からなり、前記発光層から発せられる光の反射率が前記第２導電型層用電極よりも高い第２反射層と、平面視にて前記第１反射層と重なるように、前記透明電極上に形成される第１導電型層用の表面電極と、を備える半導体発光素子が提供される。

上記半導体発光素子において、前記第１反射層は、線状の延伸部を有することが好ましい。

本発明によれば、上記半導体発光素子を製造するにあたり、前記第１反射層と前記第２反射層を同時に形成する半導体発光素子の製造方法が提供される。

本発明によれば、素子の光取り出し効率をさらに向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す半導体発光素子の模式断面図である。図２は、半導体発光素子の模式平面図である。図３は、電流の流れ及び光の進路を示す半導体発光素子の一部模式説明図である。

図１から図３は本発明の一実施形態を示し、図１は半導体発光素子の模式断面図である。

図１に示すように、この発光素子１は、上面側にｐ電極としての透明電極３０及びｎ電極４０が形成されるフェイスアップ型である。発光素子１は、サファイアからなる基板１０と、基板１０上に設けられるバッファ層２０と、バッファ層２０上に設けられるｎ型コンタクト層２２と、ｎ型コンタクト層２２上に設けられるｎ型ＥＳＤ層２３と、ｎ型ＥＳＤ層２３上に形成されるｎ型クラッド層２４と、ｎ型クラッド層２４上に設けられる発光層２５と、発光層２５上に設けられるｐ型クラッド層２６と、ｐ型クラッド層２６上に設けられるｐ型コンタクト層２７とを含む半導体積層構造を備える。また、ｐ型コンタクト層２７からｎ型コンタクト層２２の一部がエッチングにより除去され、ｎ型コンタクト層２２の一部が露出している。

ここで、バッファ層２０と、ｎ型コンタクト層２２と、ｎ型ＥＳＤ層２３と、ｎ型クラッド層２４と、発光層２５と、ｐ型クラッド層２６と、ｐ型コンタクト層２８とはそれぞれ、III族窒化物化合物半導体からなる層である。III族窒化物化合物半導体は、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の四元系のIII族窒化物化合物半導体を用いることができる。

本実施形態においては、バッファ層２０は、ＡｌＮから形成される。そして、ｎ型コンタクト層２２、ｎ型ＥＳＤ層２３及びｎ型クラッド層２４は、所定量のｎ型ドーパント（例えば、Ｓｉ）をそれぞれドーピングしたｎ−ＧａＮからそれぞれ形成される。また、発光層２５は、複数の井戸層と複数の障壁層とを含んで形成される多重量子井戸構造を有する。井戸層は例えばＧａＮから、障壁層は例えばＩｎＧａＮ若しくはＡｌＧａＮ等から形成される。さらに、ｐ型クラッド層２６及びｐ型コンタクト層２７は、所定量のｐ型ドーパント（例えば、Ｍｇ）をドーピングしたｐ−ＧａＮからそれぞれ形成される。

サファイア基板１０の上に設けられるバッファ層２０からｐ型コンタクト層２７までの各層は、例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD）、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy : MBE）、ハライド気相エピタキシー法（Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE）等によって形成することができる。ここで、バッファ層２０がＡｌＮから形成されるものを例示したが、バッファ層２０はＧａＮから形成することもできる。また、発光層２５の量子井戸構造は、多重量子井戸構造でなく、単一量子井戸構造、歪量子井戸構造にすることもできる。

また、発光素子１は、ｐ型コンタクト層２７上に設けられる透明電極３０と、ｎ型コンタクト層２２上に設けられるｎ電極４０と、透明電極３０上、ｎ電極４０上、及び半導体積層構造上に形成される絶縁層５０と、を備えている。また、発光素子１は、透明電極３０とｐ型コンタクト層２７の間の一部領域に形成されるｐ側反射層６０と、ｎ電極４０とｎ型コンタクト層２２の間の一部領域に形成されるｎ側反射層６１と、を備えている。さらに、透明電極３０上には、ワイヤ７０との良好な接合性を有するｐパッド電極８０が形成される。

透明電極３０は導電性酸化物から形成され、本実施形態においてはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）から形成される。本実施形態においては、透明電極３０は、ｐ側反射層６０を全面的に覆っている。尚、透明電極３０は、例えば、インジウム−ガリウム酸化物(ＩＧＯ)、インジウム−酸化亜鉛（ＩＺＯ）、インジウム−セリウム酸化物（ＩＣＯ）等により形成することもできる。透明電極３０は、例えば、真空蒸着法を用いて形成される。なお、透明電極３０は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、又はゾルゲル法等により形成することもできる。

ｐ側反射層６０は、発光層２５から発せられる光について、反射率が比較的高い金属からなる。また、ｐ側反射層６０は、透明電極３０よりもｐ型コンタクト層２７との接触抵抗が大きい材料が選択される。尚、ｐ側反射層６０の材料は、導電性であっても非導電性であってもよい。本実施形態においては、ｐ側反射層６０は、Ａｌからなるが、Ａｌ以外の材料を用いることができ、例えばＡｇ、Ｒｈ等から形成することもできるし、Ａｌ又はＡｇを主成分として含む合金から形成することもできる。さらに、ｐ側反射層６０は、屈折率の異なる２つの材料の複数の層から形成される分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector : DBR）を含ませることにより、発光層２５から発せられる光を全反射するようにすることも可能である。ｐ側反射層６０は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法等により形成される。

表面電極としてのｐパッド電極８０は、平面視にてｐ側反射層６０よりも内側に重なるよう形成されており、光がｐ側反射層６０にて反射されるため、材料の選定にあたっては反射率を考慮する必要はない。尚、ｐパッド電極８０は、平面視にて、少なくとも一部がｐ側反射層６０と重なっていればよい。ｐパッド電極８０は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法等により形成される。

ｎ電極４０は、例えばＮｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｖ、Ｐｔ等のｎ型コンタクト層２２とオーミック接触する金属から形成される。例えば、ｎ電極４０は、Ｖからなる第１層と、Ａｌからなる第２層とから構成することができる。ｎ電極４０は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法等により形成される。

ｎ側反射層６１は、ｐ側反射層６０と同じ材料からなり、発光層２５から発せられる光について反射率が比較的高い。尚、ｎ側反射層６１の材料は、導電性であっても非導電性であってもよい。また、ｎ側反射層６１は、例えば真空蒸着法、スパッタリング法等により、ｐ側反射層６０と同工程で形成される。ｎ側反射層６１は、ｎ電極４０よりもｎ型コンタクト層２２との接触抵抗が大きい材料が選択される。本実施形態においては、ｎ側反射層６１は、Ａｌからなるが、Ａｌ以外の材料を用いることができ、例えばＡｇ、Ｒｈ等から形成することもできるし、Ａｌ又はＡｇを主成分として含む合金から形成することもできる。さらに、ｎ側反射層６１は、屈折率の異なる２つの材料の複数の層から形成される分布ブラッグ反射器として、発光層２５から発せられる光を全反射するようにすることも可能である。

本実施形態においては、絶縁層５０としてＳｉＯ_２が用いられる。尚、絶縁層５０として他の材料を用いてもよく、例えばＳｉＮの他、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５等の金属酸化物、若しくはポリイミド等の電気絶縁性を有する樹脂材料から形成することもできる。絶縁層５０は、例えば真空蒸着法により形成されるが、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition : CVD）により形成することもできる。絶縁層５０におけるｐパッド電極８０の上側中央と、ｎ電極４０の上側中央は、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて除去されて開口５２，５４が形成される。そして、これらの開口５２，５４を通じて、ボンディングワイヤ７０，７２がｐパッド電極８０及びｎ電極４０と接続される。

図２は、半導体発光素子の模式平面図である。
図２に示すように、発光素子１は平面視にて略四角形状に形成され、本実施形態においては長方形状である。ｎ電極４０は長手方向一方の幅方向中央に形成され、透明電極３０はｎ電極４０と離隔してｎ電極を除く領域に比較的大きな面積で形成されている。絶縁層５０の各開口５２，５４は、幅方向中央に、長手方向に離隔して形成される。

ｐパッド電極８０は、開口５４の直下に形成されている。また、ｐ側反射層６０は、ｐパッド電極８０の下側から延伸する線状の延伸部６４を有している。本実施形態においては、延伸部６４は、ｐパッド電極８０よりもｎ電極４０側にてｎ電極４０を半包囲する半包囲部６４ａと、半包囲部６４ａとｐパッド電極８０の下側部分を連結する連結部６４ｂと、を有する。

以上のように構成された発光素子１によれば、ｐ側パッド電極８０及びｎ電極４０に順方向の電圧を印加すると、発光層２５から青色領域の波長の光が発せられる。例えば、発光素子１は、順電圧が３Ｖ程度で、順電流が２０ｍＡの場合に、ピーク波長が４５５ｎｍ程度の光を発する。

このとき、ｐ側反射層６０よりも透明電極３０の方がｐ型コンタクト層２７との接触抵抗が小さいことから、図３（ａ）中のＡの矢印で示すように、電流はｐ側反射層６０から透明電極３０を介してｐ型コンタクト層２７へ流れる。また、ｐ側反射層６０は、透明電極３０よりもシート抵抗が小さいことから、電流はｐ側反射層６０に優先的に流れ、ｐ側反射層６０にて拡散されてから透明電極３０へ流れる。

また、ｎ側反射層６１よりもｎ電極４０の方がｎ型コンタクト層２２との接触抵抗が小さいことから、図３（ｂ）中のＡの矢印で示すように、電流はｎ側反射層６１からｎ電極４０を介してｎ型コンタクト層２２へ流れる。また、ｎ側反射層６１は、ｎ電極４０よりもシート抵抗が小さいことから、電流はｎ側反射層６１に優先的に流れ、ｎ側反射層６１にて拡散されてからｎ電極４０へ流れる。

このように、ｐ側及びｎ側において、平面視にて的確に電流を拡散することができ、発光層２５の実質的な発光領域を大きくすることができる。

また、発光層２５から発せられた光のうち、ｐ側反射層６０へ入射する光は、図３（ａ）中のＢの矢印で示すように、透明電極３０へ入射することなく反射する。これにより、光が透明電極３０で吸収されることを抑制し、光取り出し効率を向上させることができる。

また、発光層２５から発せられた光のうち、半導体層を伝搬してｎ側反射層６０へ入射する光は、図３（ｂ）中のＢの矢印で示すように、ｎ電極４０へ入射することなく反射する。これにより、光がｎ電極４０で吸収されることを抑制し、光取り出し効率を向上させることができる。

このように、ｐ側及びｎ側の両方において、半導体積層体における電流の拡散性を損なうことなく、素子の光取り出し効率の向上が実現される。

また、導電性酸化物からなる透明電極と、反射性の比較的高い金属とを連続的に形成すると、両者の界面にて反射率が低下する場合がある。製造条件等にもよるが、両者の界面にて反射率が低下する現象は、現在のところ、ＩＴＯとＡｌ、ＩＴＯとＲｈの組み合わせで確認されている。本実施形態においては、ｐ側反射層６０を透明電極３０とｐ型コンタクト層２７との間に形成したので、仮にｐ側反射層６０と透明電極３０の界面にて反射率が低下したとしても、ｐ側反射層６０により発光層２５から発せられた光が反射するので、当該界面へ光が入射することはなく、光が吸収されてしまうことはない。また、ｐパッド電極８０と透明電極３０の界面にて反射率が低下したとしても、当該界面へ光が入射することはなく、光が吸収されてしまうことはない。従って、製造条件や材料の組み合わせを考慮せずとも、光取り出し効率の高い発光素子１とすることができる。

また、ともに半導体層に接触するｐ側反射層６０とｎ側反射層６１を同じ材料とすることにより、半導体層との密着性、半導体層との化学的な反応等のような、半導体層との相性が良好な材料について１つの材料だけ検討すればよいことになり、発光素子１の設計を簡単容易に行うことができる。また、ｐ側反射層６０とｎ側反射層６１を同時に形成するので、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。

また、ｐ側反射層６０が絶縁層５０と透明電極３０の２層で覆われるし、ｎ側反射層６１が絶縁層５０とｎ電極４０の２層で覆われることから、ｐ側反射層６０及びｎ側反射層６１を腐食等から的確に保護することができ、ｐ側反射層６０及びｎ側反射層６１の耐久性等が飛躍的に向上する。

尚、前記実施形態においては、ｐ側において表面電極としてｐパッド電極８０を設けるものを示したが、ｎ側においても、ｎ電極４０上にワイヤ７２との良好な接合性を有する表面電極としてのｎパッド電極を、平面視にてｎ側反射層６１と重なるように形成してもよい。また、ｎ側反射層６１が線状の延伸部を有していてもよいことは勿論である。例えば、ｐ側反射層６０とｎ側反射層６１が、それぞれ平面視にて櫛状に形成され、櫛状の歯の部分が互いに入り込むよう形成すれば、効率良く電流を拡散することができる。

また、前記実施形態においては、フェイスアップ型の発光素子１を例示したが、フリップチップ型の発光素子１にも本発明を適用可能なことは言うまでもない。また、前記実施形態においては、半導体積層体としてＧａＮ系半導体を用いたものを示したが、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＡｓＰ系、ＧａＰ系、ＺｎＳｅ系、ＡｌＧａＩｎＰ系等の半導体材料を用いることもできる。また、半導体積層体の第１導電型層としてｎ型層、第２導電型層としてｐ型層が形成されるものを示したが、第１導電型層をｐ型層とし、第２導電型層をｎ型層としたり、ｎ型、ｐ型以外の導電型の層を利用するようにしてもよい。

また、前記実施形態においては、基板にサファイアを用いたが、ＧａＮ等から構成することもできるし、ｎ電極、反射層等の材質も任意に変更することができ、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である

１発光素子
１０基板
２０バッファ層
２２ｎ型コンタクト層
２３ｎ型ＥＳＤ層
２４ｎ型クラッド層
２５発光層
２６ｐ型クラッド層
２７ｐ型コンタクト層
３０透明電極
４０ｎ電極
５０絶縁層
５２開口
５４開口
６０ｐ側反射層
６１ｎ側反射層
６４延伸部
６４ａ半包囲部
６４ｂ連結部
７０ボンディングワイヤ
７２ボンディングワイヤ

Claims

第１導電型層、発光層及び第２導電型層をこの順で有する半導体積層体と、
前記第１導電型層上に形成され酸化物からなる透明電極と、
前記半導体積層体において前記透明電極と同じ側に形成される前記第２導電型層上の第２導電型層用電極と、
前記第１導電型層と前記透明電極の間に形成され、前記発光層から発せられる光の反射率が前記透明電極よりも高いＡｌ、Ａｇ、あるいはＲｈ、あるいはそれらの合金よりなる第１反射層と、
前記第２導電型層と前記第２導電型層用電極の間に形成され、前記第１反射層と同じ材料からなり、前記発光層から発せられる光の反射率が前記第２導電型層用電極よりも高い第２反射層と、
平面視にて前記第１反射層と重なるように、前記透明電極上に形成される第１導電型層用の表面電極と、を備える半導体発光素子。
前記透明電極は、前記第１導電型層に対する接触抵抗が前記第１反射層より小さく、また、シート抵抗が前記第１反射層より大きい請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第２反射層は、前記第２導電型層電極と、前記第２導電型層電極を被覆する絶縁層との２層で覆われる請求項１あるいは２に記載の半導体発光素子。
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光素子を製造するにあたり、
前記第１反射層と前記第２反射層を同時に形成する半導体発光素子の製造方法。