JP5406436B2 - 半導体発光機器のための反射電極 - Google Patents

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Description

本発明は、一般的には半導体発光装置に関し、より詳細には、半導体発光装置のための反射電極に関する。
発光装置(LED)のような半導体発光装置は、効率的な光源を提供し、かつ白熱電球及び蛍光灯よりも頑強である。LED技術及び方法における進歩は、例えば、商業用及び住居用の照明用途での従来型の光源の置換としてこうした装置の使用を促進してきた。
照明用途のために使用されるLEDは、一般的に、装置によって発生した光の一部分を反射し、かつ装置に駆動電流を提供するための接点としてもまた機能する反射電極を含む。この電極材料は、一般的に金属を含む。一部の半導体材料については、良好な電気的接触、良好な反射性、及び半導体材料に対する良好な接着性を提供する反射電極のための金属を見出すことが困難である。これらの半導体材料については、複数の層を使用して反射電極を構成することができる。例えば、反射電極は、良好な接着性及び良好な電気的接触を提供する第1の層と、高い反射率を提供する第2の層とを含むことができる。残念なことに、第1の層はまた、光が第2の反射層に到達する前にその光を顕著に減衰させ、従ってLEDの効率を低下させる場合がある。
半導体発光装置のための改良された反射電極、及びそのような電極を形成するための改良された方法に対する必要性が依然として存在している。
本発明の1つの態様によれば、半導体発光装置上の反射電極を形成する方法が提供され、この発光装置は、光を発生する活性層と、その活性層と電気的に接触したクラッド層とを有する。この方法は、クラッド層上に導電材料の中間層を堆積させる段階と、導電材料の少なくとも一部分をクラッド層内に拡散させる段階とを伴っている。この方法は、中間層上に反射層を堆積させる段階を更に伴い、反射層は導電性であり、かつ中間層と電気的に接触している。
この方法は、反射層を堆積させる前に中間層の一部分を除去する段階を伴う場合がある。
クラッド層内に導電材料を拡散させた後に、中間層は、クラッド層内に拡散した第1の部分とクラッド層上に残留する第2の部分とを含むことができ、除去する段階は、中間層の第2の部分の大部分を除去する段階を伴う場合がある。
クラッド層内に導電材料の少なくとも一部分を拡散させる段階は、発光装置をアニールする段階を伴う場合がある。
アニールする段階は、導電材料をクラッド層内に約50nmの拡散深さまで拡散させるのに十分な持続時間及び温度で発光装置をアニールする段階を伴う場合がある。
クラッド層は、p型半導体材料を含むことができ、中間層を堆積させる段階は、p型半導体材料の電子親和力エネルギとバンドギャップエネルギの和にできるだけ近い仕事関数を有する材料を堆積させる段階を伴う場合がある。
材料を堆積させる段階は、ロジウム、パラジウム、ニッケル、白金、金、イリジウム、及びレニウムから成る群から選択された金属を堆積させる段階を伴う場合がある。
材料を堆積させる段階は、伝導性酸化物を堆積させる段階を伴う場合がある。
クラッド層は、n型半導体材料を含むことができ、中間層を堆積させる段階は、n型半導体材料の電子親和力エネルギに近いか又はそれよりも小さい仕事関数を有する材料を堆積させる段階を伴う場合がある。
材料を堆積させる段階は、アルミニウム、チタン、クロム、バナジウム、及びタンタルから成る群から選択された金属を堆積させる段階を伴う場合がある。
活性層は、第1の波長で光を放射するように作動的に構成することができ、反射層を堆積させる段階は、第1の波長で増大した反射率を有する材料を堆積させる段階を伴う場合がある。
反射層を堆積させる段階は、アルミニウム、ロジウム、パラジウム、銀、金、マグネシウム、及びニッケルから成る群から選択された少なくとも1つの金属を堆積させる段階を伴う場合がある。
本発明の別の態様によれば、半導体発光機器で使用する構造体が提供される。この構造体は、第1のクラッド層と、第1のクラッド層と電気的に接触した活性層とを含み、活性層は、光を発生することができる。この機器はまた、活性層に電気的に接触した第2のクラッド層を含み、第2のクラッド層は、外面を有する。この機器は、更に、第2のクラッド層の外面上に反射電極を含み、反射電極は、導電材料の中間層を含み、導電材料は、少なくとも部分的に第2のクラッド層内に拡散している。反射電極はまた、中間層上に反射層を含み、反射層は、導電性であり、かつ中間層と電気的に接触し、反射層は、活性層で発生した光を第2のクラッド層、活性層、及び第1のクラッド層を通して反射して戻すように作動可能である。
この構造体は、第1のクラッド層に接触した基板を更に含むことができ、この基板は、基板を通して光を構造体から出射させるように作動的に構成される。
中間層は、第2のクラッド層内の導電材料の拡散部分と、第2のクラッド層上の導電材料の非拡散部分とを含むことができ、非拡散部分は、活性層で発生した光が有意な減衰なしに非拡散部分を透過することができるほど十分薄い。
中間層は、約50nmの拡散深さまで第2のクラッド層内に延びる導電材料の拡散層を含むことができる。
第2のクラッド層は、p型半導体材料を含むことができ、中間層は、p型半導体材料の電子親和力エネルギとバンドギャップエネルギの和にできるだけ近い仕事関数を有する材料を含むことができる。
この金属は、ロジウム、パラジウム、ニッケル、白金、金、イリジウム、及びレニウムから成る群から選択された金属を含むことができる。
この材料は、伝導性酸化物を含むことができる。
第2のクラッド層は、n型半導体材料を含むことができ、中間層は、n型半導体材料の電子親和力エネルギに近いか又はそれよりも小さい仕事関数を有する金属を含むことができる。
この金属は、アルミニウム、チタン、クロム、バナジウム、及びタンタルから成る群から選択された金属を含むことができる。
第1及び第2のクラッド層と、活性層とは、III族窒化物半導体材料を含むことができる。
活性層は、第1の波長で発光するように作動的に構成することができ、反射層は、第1の波長で増大した反射率を有する材料を含むことができる。
反射層は、アルミニウム、ロジウム、パラジウム、銀、金、マグネシウム、及びニッケルから成る群から選択された少なくとも1つの金属を含むことができる。
本発明の別の態様によれば、上述の半導体発光構造体を含む半導体発光機器が提供される。半導体発光機器は、更に、第1のクラッド層と電気的に接触した電極を含む。順方向バイアス電流が活性層を通して流れるように、この電極と反射電極の間に電圧が印加された時、光が活性層に発生する。
本発明の他の態様及び特徴は、添付図面と共に本発明の特定的な実施形態の以下の説明を精査すれば、当業者には明らかになるであろう。
図面は、本発明の実施形態を例示するものである。
図1を参照すると、本発明の第1の実施形態による半導体発光機器で使用する半導体発光構造体は、全体的に10で示されている。
構造体10は、基板12とその基板上の第1のクラッド層14とを含む。構造体10は、第1のクラッド層14に電気的に接触した活性層16もまた含む。活性層16は、光を発生することができる。構造体10は、活性層16に電気的に接触した第2のクラッド層18を更に含む。構造体10は、第2のクラッド層18の外面22上に反射電極20もまた含む。
反射電極20は、導電材料の中間層24を含む。中間層24は、第2のクラッド層18内に少なくとも部分的に拡散している。反射電極20は、中間層24上に反射層26を更に含み、反射層は、導電性であり、かつ中間層と電気的に接触している。反射層26は、活性層16内で発生した光を第2のクラッド層18、活性層16、及び第1のクラッド層14を通して反射して戻し、基板12を通じて構造体10から出射させる。
中間層24は、反射層26と第2のクラッド層18の間の良好な抵抗接点及び良好な接着性を提供することができる伝導性材料を含むことができる。
反射電極20は、より詳細に図2に示されている。図2を参照すると、一実施形態において、中間層24は、第2のクラッド層18内の拡散部分30と第2のクラッド層上の非拡散部分32とを含む。
基板上のn型材料の成長
ここで図1を参照すると、一実施形態において、クラッド層14は、n型半導体材料を含み、第2のクラッド層18は、p型半導体材料を含む。この実施形態では、反射電極20とp型の第2のクラッド層18の間の良好な抵抗接点を提供するためには、この伝導性材料は、p型半導体材料の電子親和力エネルギとバンドギャップエネルギの和に近いか又はそれよりも大きい仕事関数を有するべきである。半導体発光装置に使用される半導体材料は、通常は大きいバンドギャップエネルギを有する(例えば、III族窒化物材料については、バンドギャップエネルギは、0.7eVから6eV(電子ボルト)の範囲にあり、これは、材料のインジウム及びアルミニウム組成による)。p型材料に関する標準的な電子親和力は、4eV付近であり、従って、多くのIII族窒化物材料に関する電子親和力エネルギとバンドギャップエネルギの和は、4.7eVから10eVの範囲にある。最も適切な金属は、4.9eVから5.6eVの範囲の仕事関数を有し、従って、p型材料と伝導性電極の間に真の抵抗接点を提供する適切な材料を見出すことが困難な場合がある。その結果、P型半導体材料の電子親和力エネルギとバンドギャップエネルギの和にできるだけ近い仕事関数を有する材料が、中間層24のために一般的に選択されるべきである。
この実施形態では、反射電極20がp型半導体材料上に形成される場合、中間層24のための適切な材料としては、以下に限定されるものではないが、ロジウム(約5eVの仕事関数)、パラジウム(5.1eV)、ニッケル(5.2eV)、白金(5.6eV)、金(5.1eV)、イリジウム(5.3eV)、及びレニウム(4.95eV)、又はその組合せが挙げられる。代替的に、中間層24は、例えば、酸化インジウム錫又はドープされた亜酸化銅(Cu2O)のような伝導性酸化物を含むことができる。
この実施形態では、構造体10は、第1のクラッド層14の一部分に電気的に接触した電極28を更に含む。半導体発光構造体10に順方向バイアス電圧が印加されると(すなわち、反射性電圧20が電極28よりもより正にされる)、順方向バイアス電流がp型の第2のクラッド層18、活性層16、及びn型の第1のクラッド層14を通過して流れ、光子が活性層に発生する。活性層16に発生した光子は、全ての方向に投射され、反射電極20上に入射した光子は、第2のクラッド層18、活性層16、及び第1のクラッド層14を通して反射して戻され、基板12から光として放射される。第1のクラッド層14上に直接入射する活性層16からの他の光子は、第1のクラッド層を通過して基板12から光として放射される。
一般的に、構造体10は、望ましい波長帯域の範囲内で発光するように構成されることになり、反射層26は、その構成された波長帯域で増大した反射率を有する材料を用いて形成される。例えば、クラッド層14及び18及び活性層16がIII族窒化物半導体材料である時、構造体10は、半導体材料の合金化組成に基づいて、赤外線波長から深紫外(UV)波長の範囲の波長で発光することができる。例えば、半導体材料がUV波長で発光するように構成されている時、反射層は、アルミニウムを含むことができ、これは、UV及び可視波長帯域内で増大した反射率を有する。
しかし、アルミニウムは、約4.3eVの仕事関数を有するので、アルミニウムは、p型クラッド層18とは良好な抵抗接点を形成できず、この接点にわたって大きい電圧低下が生じ、そのために構造体10に関する効率の低下が発生することになる。一実施形態では、中間層24はロジウムを含み、これは、約5eVの仕事関数を有し、アルミニウムを含む反射層26と組み合わせて使用される時、得られる反射電極は、第2のクラッド層18との良好な抵抗接点を有し、かつUV波長帯域での増大した反射率もまた有することになる。反射層26は、例えば、ロジウム、パラジウム、マグネシウム、金、又はニッケルのような材料もまた含むことができる。代替的に、反射層26は、これら及び/又は他の金属の組合せを含むことができる。
代替的に、反射層26は、銀を含むことができ、これは、近UV及び可視波長帯域での良好な反射率を有する。銀は、約4.3eVの仕事関数を有し、p型クラッド層18と良好な抵抗接点を形成しない。更に、銀材料は、窒化物半導体材料に対し劣った接着性を欠点として有する場合がある。本発明により堆積した中間層24を含むことにより、良好な抵抗接点と近UV及び可視波長帯域での増大した反射率とを有する反射性銀電極を形成することができる。
フリップチップ式装着
図1に示す実施形態では、構造体10は、半導体発光機器を形成するためにサブマウント40へのフリップチップ装着に対して構成される。サブマウント40は、電極28及び20にそれぞれ対応する電気接触領域42及び44を含む。フリップチップ装着は、半導体発光構造体10が基板(基板12のような)上に製造され、次にその構造体が反転され、導電材料ビード46(例えば、金と錫との合金)を用いて電極20及び28がサブマウント40の電気接触領域42及び44に接合される装着技術を称する。接合する段階は、導電材料ビード46の融点を超える温度に構造体10を加熱する段階を伴い、ビードが溶融又はリフローされ、それによって電極28及び20が電気接触領域42及び44に接合される。代替的に、一部の実施形態では、接合する段階は、例えば、熱圧着、摩擦接合、又は拡散接合を伴う場合がある。反射層26は、フリップチップ装着に対して約100nmから約1μmの厚みを有することができる。
一部の実施形態では、構造体がフリップチップ装着される前又はその後に基板12を除去することができる。基板12は、レーザ誘起剥離法又は化学エッチングによって除去することができ、この場合には、活性層16内で発生した光は、第1のクラッド層14を通過して構造体10から出射する。
基板上のp型材料の成長
図1を再び参照すると、別の実施形態において、第1のクラッド層14は、p型半導体材料を含み、第2のクラッド層18は、n型半導体材料を含む。この場合、反射電極20とn型の第2のクラッド層18の間の良好な抵抗接点を提供するためには、中間層24として用いられる伝導性材料は、n型半導体材料の電子親和力エネルギに近いか又はそれよりも小さい仕事関数を有するべきである。n型材料に関する標準的な電子親和力は、4eV付近であり、従って、良好な抵抗接点のためには、中間層24に用いる適切な金属は、例えば、アルミニウム(4.3eV)、チタン(4.3eV)、クロム(4.5eV)、バナジウム(4.3eV)、及びタンタル(4.2eV)のような小さい仕事関数を有するものでなければならない。
方法
第2のクラッド層18上に反射電極20を形成する方法を図3に関連して説明する。
図3Aを参照すると、半導体発光機器の一部分が60で示されている。機器60は、基板(図3には示されない)上にエピタキシャル成長した第1のクラッド層62を含む。機器60はまた、第1のクラッド層62上にエピタキシャル成長した活性層64と、活性層64上にエピタキシャル成長した第2のクラッド層66とを含む。
図3Bを参照すると、この方法は、第2のクラッド層66上に中間層68を堆積させることによって開始される。一実施形態において、中間層68は、ロジウムのような金属を含み、これは、上述のように第2のクラッド層66との良好な抵抗接点を提供する。この金属は、熱蒸着装置(図示せず)を用いて第2のクラッド層66上に堆積させることができる。代替的に、この金属は、電子ビーム蒸着により又はスパッタリングにより、第2のクラッド層66上に堆積させることができる。
図3Cを参照すると、中間層を堆積させた後、機器60は、高温でアニールされて、中間層68内の材料の第2のクラッド層66内への少なくとも部分的な拡散が引き起こされ、中間層68の拡散部分70と非拡散部分72が形成される。一実施形態では、アニール処理は、約500℃の温度で約30分の拡散時間にわたって行われ、約50nmの拡散部分70の拡散層厚みdがもたらされる。代替的に、アニール処理温度は、400℃から600℃の範囲とすることができ、拡散時間は、50nm未満又はそれを超える拡散層厚みdが得られるように変化させることができる。
第2のクラッド層66内への中間層68の拡散は、伝導性材料原子を第2のクラッド層の結晶格子内に溶け込ませ、そのために比較的増大した反射率を有する伝導性材料でも、中間層68の拡散部分70を通過する大幅な光の減衰を受けることなく使用することができると考えられている。
図3Dを参照すると、この実施形態では、機器60は、次にエッチングされて大部分の非拡散部分72が除去され、薄い非拡散層74のみが残される。拡散部分70及び薄い非拡散層74は、修正中間層76になる。この実施形態では、光の減衰も僅かであるほど十分に非拡散層74は薄い。一般的に、反射電極80に向って導かれた光は、反射層78によって反射される前及びその後に中間層76を通過するので、中間層76内の光のいかなる減衰の影響も倍加される。中間層76に対して選択される材料の反射性は、その抵抗接点特性及び第2のクラッド層66へのその接着性よりも重要ではないので、拡散部分70と組み合わされた薄い非拡散層74は、中間層68のためのより広範囲の伝導性材料の使用を容易にする。
図3Eを参照すると、反射性材料の堆積によってこの方法が継続され、中間層76上に反射層78が形成される。一実施形態では、反射層78は、熱蒸着装置を用いて堆積させた金属を含む。代替的に、この金属は、電子ビーム蒸着により又はスパッタリングにより堆積させることができる。中間層76と反射層78は、一緒に反射電極80を形成する。
図示の実施形態では、薄い非拡散層74は、第2のクラッド層66内への反射層78の拡散を低減及び/又は回避するための拡散障壁としてもまた機能する。反射層78に使用される材料の一部は、機器60の高温及び/又は高電流作動の下で第2のクラッド層66内に拡散する傾向を有する場合がある。時間が経過した時に、こうした拡散は、機器60の低効率及び/又は早期故障を生じさせるであろう。
有利な態様においては、良好な抵抗接点は、反射電極80に起因する順方向電圧低下を抑え、良好な反射率は、反射電極での光の減衰を最小にし、それら両方は、機器60の効率を改善する。
この方法は、サンプルが本発明の態様に従って調製され、従来技術に従って製造されたサンプルと比較された、以下の非限定的な実施例に関連して更に説明される。
第1の実施例においては、反射特性が以下のように調製されたサンプルの間で比較された。
サンプル1:第1の従来技術のサンプルは、第2のクラッド層上に50nm厚のロジウム反射電極を備えて調製された(すなわち、中間層がない)。
サンプル2:第2の従来技術のサンプルは、第2のクラッド層上に堆積した2.5nmのロジウム層と、ロジウム層の上に堆積した200nmのアルミニウムの反射層とを備えて調製された(すなわち、アニール処理が行われない)。
サンプル3:サンプルは、図3に示されている本発明の態様に従って調製された。このサンプルは、第2のクラッド層上に2.5nmのロジウム層を有し、約500℃の温度で約30分にわたってアニールされ、次に、湿式エッチングされて0.5nmの非拡散ロジウムのみが残された。次に、そのロジウム層の上に200nmのアルミニウムの反射層を堆積させた。
3サンプル全てに関する反射率の測定は、中間層を含まなかったサンプル1が、250nmの波長での約52%から450nmの波長での約63%まで変化した入射光反射率を有したことを示している。
アニールされなかったサンプル2は、250nmの波長での約60%から450nmの波長での約76%まで変化した入射光反射率を有していた。
サンプル3は、250nmの波長での約72%から450nmの波長での約89%まで変化した入射光反射率を有し、従来技術のサンプルを少なくとも12%超える反射率での改善が示された。
第2の実施形態では、以下のように従来技術のサンプル4と本発明の態様に従って調製されたサンプル5−7との間で順方向電圧特性が比較された。
サンプル4:第2のクラッド層上に50nmのニッケルドット電極を備える従来技術のサンプル(すなわち、中間層がない)、
サンプル5:アルミニウム反射層(150nm)を有する拡散ニッケル中間層、
サンプル6:アルミニウム反射層(150nm)を有する拡散パラジウム中間層、及び
サンプル7:アルミニウム反射層(150nm)を有する拡散ロジウム中間層。
サンプル4−7の各々に関する順方向電極電圧は、400Acm-2の過電流条件で電流印加の5分後に測定された。
従来技術のサンプル4は、約5.2Vの順方向電極電圧を有していた。
本発明の態様に従って調製されたサンプルは、以下のような順方向電圧を有していた。
サンプル5:約4.8V、
サンプル6:約5.7V、及び
サンプル7:約4.7V。
すなわち、本発明により調製されたサンプル5及び7は、少なくとも0.4Vの順方向電圧の低下を示している。
本発明の実施形態を発光構造体10のフリップチップ装着に関連して説明したが、他の技術もまたこの構造体を装着するのに使用することができる。例えば、縦型注入発光構造体においては、基板が除去されて反射性のp及びn電極接点が堆積され、この構造体は、p電極を下にして装着することができる。
本発明の特定的な実施形態を説明して示したが、そのような実施形態は、単に本発明を例証するのみであり、特許請求の範囲に従って解釈される本発明を限定しないと考えるべきである。
本発明の第1の実施形態による半導体発光構造体の概略断面図である。 図1に示されている発光構造体の一部分の概略断面図である。 本発明の一実施形態による発光構造体の方法を説明する一連の断面図の1つである。 本発明の一実施形態による発光構造体の方法を説明する一連の断面図の1つである。 本発明の一実施形態による発光構造体の方法を説明する一連の断面図の1つである。 本発明の一実施形態による発光構造体の方法を説明する一連の断面図の1つである。 本発明の一実施形態による発光構造体の方法を説明する一連の断面図の1つである。
符号の説明
10 半導体発光構造体
12 基板
14 第1のクラッド層
16 活性層
20 反射電極
40 サブマウント

Claims (10)

  1. 光を発生するための活性層と該活性層と電気的に接触したクラッド層とを有する半導体発光装置上に反射電極を形成する方法であって、
    クラッド層上に金属又は電気伝導性酸化物の導電材料の中間層を堆積させる段階と、
    前記導電材料の少なくとも一部分を前記クラッド層内に拡散させる段階と、
    前記中間層上に、導電性であり、かつ該中間層と電気的に接触した反射層を堆積させる段階と、
    を含み、
    前記反射層を堆積させる前に前記中間層の一部分を除去する段階を更に含み、
    前記クラッド層は、p型半導体材料を含み、
    前記中間層を堆積させる段階は、前記p型半導体材料の電子親和力エネルギとバンドギャップエネルギの和に等しい仕事関数を有する材料を堆積させる段階を含む、
    ことを特徴とする方法。
  2. 光を発生するための活性層と該活性層と電気的に接触したクラッド層とを有する半導体発光装置上に反射電極を形成する方法であって、
    クラッド層上に金属又は電気伝導性酸化物の導電材料の中間層を堆積させる段階と、
    前記導電材料の少なくとも一部分を前記クラッド層内に拡散させる段階と、
    前記中間層上に、導電性であり、かつ該中間層と電気的に接触した反射層を堆積させる段階と、
    を含み、
    前記反射層を堆積させる前に前記中間層の一部分を除去する段階を更に含み、
    前記クラッド層は、n型半導体材料を含み、
    前記中間層を堆積させる段階は、前記n型半導体材料の電子親和力エネルギに等しいか又はそれよりも小さい仕事関数を有する金属を堆積させる段階を含む、
    ことを特徴とする方法。
  3. 前記導電材料を前記クラッド層内に拡散させた後に、前記中間層は、該クラッド層内に拡散した第1の部分と該クラッド層上に残留する第2の部分とを含み、
    前記除去する段階は、前記中間層の前記第2の部分の50%より多くの部分を除去する段階を含む、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記導電材料の前記少なくとも一部分を前記クラッド層内に拡散させる段階は、前記発光装置をアニールする段階を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  5. 前記アニールする段階は、前記導電材料を50nmの拡散深さまで前記クラッド層内に拡散させるのに十分な持続時間及び温度で前記発光装置をアニールする段階を含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
  6. 前記材料を堆積させる段階は、ロジウム、パラジウム、ニッケル、白金、金、イリジウム、及びレニウムから成る群から選択された金属を堆積させる段階を含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
  7. 前記材料を堆積させる段階は、電気伝導性酸化物を堆積させる段階を含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
  8. 前記金属を堆積させる段階は、アルミニウム、チタン、クロム、バナジウム、及びタンタルから成る群から選択された金属を堆積させる段階を含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
  9. 前記活性層は、第1の波長で光を放射するように作動可能に構成され、
    前記反射層を堆積させる段階は、前記第1の波長で増大した反射率を有する材料を堆積させる段階を含む、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  10. 前記反射層を堆積させる段階は、アルミニウム、ロジウム、パラジウム、銀、金、マグネシウム、及びニッケルから成る群から選択された少なくとも1つの金属を堆積させる段階を含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
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