JP5428684B2

JP5428684B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP5428684B2
Application number: JP2009210647A
Authority: JP
Inventors: 真央神谷
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: JP2011061077A; TWI412162B; TW201117426A

Description

本発明は、ｎ型層、発光層及びｐ型層を下側からこの順で有する半導体積層体を備えた半導体発光素子に関する。

従来、この種の半導体発光素子として、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層、ｉ型ＧａＮ層が順に積層され、ｎ型ＧａＮ層上の電極がｉ型ＧａＮ層上の電極により取り囲まれた青色発光デバイスが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型クラッド層、ＩｎＧａＡｌＰからなる活性層、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型クラッド層を順に積層し、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層上のＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ側電極が、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ層上のＡｕＺｎ／Ａｕからなるｐ側電極により囲まれてなる発光ダイオードも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

実開平４−１０３６６６号公報特開平７−２５４７３２号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の半導体発光素子では、ｉ型ＧａＮ層上あるいはｐ型クラッド層上の電極が金属からなることから、当該電極による遮光作用により、光取り出し効率が悪いという問題点がある。

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、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を向上させることのできる半導体発光素子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導電型層を下側から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る第１電極と、前記第２導電型層上に形成され酸化物からなり当該第２導電型層よりもシート抵抗が小さい透明電極、及び、当該透明電極上に形成され金属からなり当該透明電極よりもシート抵抗が小さい補助電極を有する第２電極と、を備え、前記補助電極は、平面視にて素子の中央側の領域に形成される前記第１電極の本体を半分以上包囲し前記第１電極の前記本体との平面視の距離が最小となる最小距離部を延在方向について複数有する線状の包囲部と、平面視にて前記包囲部の外側であって前記素子の１つの隅部に形成されワイヤを接続するためのパッド部と、を含み、前記第１電極は、平面視にて、前記本体から前記包囲部の両端の間から前記素子の１つの隅部と反対側の隅部の方向へ延びる線状の突出部を有し、
前記第１電極の前記突出部は、前記包囲部の前記両端との平面視の距離が前記最小距離部と等しい半導体発光素子が提供される。

この半導体発光素子によれば、第１電極及び第２電極に電圧を印加すると、第１導電型層、発光層及び第２導電型層に電流が流れ、電子と正孔の再結合により発光層から光が放射される。ここで、第２電極において、補助電極が透明電極よりもシート抵抗が小さいことから、透明電極における補助電極との接触部分に優先的に電流が流れる。補助電極は、平面視にて、第１電極の本体を半分以上包囲する包囲部を有し、しかも包囲部が第１電極との距離が最小となる最小距離部を複数箇所有することから、補助電極と第１電極の本体との間で電流は均一に拡散する。また、第１電極は包囲部の両端の間へ延びる突出部を有することから、包囲部の両端と突出部の間でも電流が流れる。これにより、電圧印加時、発光層にて比較的大きな面積で発光させることができる。また、第２導電型層上の透明電極により光の取り出しが阻害されることはないし、透明電極上の補助電極は線状であることから補助電極による光取り出し効率の低下を最小限に抑制することができる。

この半導体発光素子によれば、第１電極の突出部と補助電極との間で電流が集中するようなことはない。

上記半導体発光素子において、前記第１導電型層と前記透明電極とのシート抵抗の比は、前記第１電極と前記補助電極の前記包囲部との平面視における互いの対向部分の長さの比と、略等しいことが好ましい。

この半導体発光素子によれば、第１導電型層と透明電極のうち、シート抵抗の高い方の電極の近傍に発光が集中することとなる。ここで、第１電極と補助電極の包囲部との対向部分の長さの比は、第１導電型層と透明電極のシート抵抗の比と略等しいことから、電流が集中するエリアが比較的広くなり、過度の電流集中を防止して電流を拡散させることができる。

上記半導体発光素子において、前記第１導電型層及び前記透明電極は、前記シート抵抗が略等しく、前記補助電極の前記包囲部及び前記第１電極は、前記対向部分の長さが略等しいことが好ましい。

この半導体発光素子によれば、第１導電型層のシート抵抗と透明電極のシート抵抗とが略等しいことから、第１電極と補助電極の包囲部の対向部分の長さが略等しいことと相俟って、発光層をさらに効率良く発光させることができる。

上記半導体発光素子において、前記第１電極の前記本体は、平面視にて円形に形成される構成としてもよい。

上記半導体発光素子において、前記包囲部は、平面視にて、前記パッド部の前記第１電極側端部と一体的に形成され、前記第１電極の前記本体と同心の円弧状の円弧状区間を有する構成としてもよい。

本発明によれば、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を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態を示すＬＥＤ素子の模式平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図４は、変形例を示すＬＥＤ素子の模式平面図である。

図１及び図２は本発明の一実施形態を示すものであって、図１は本発明の一実施形態を示すＬＥＤ素子の模式平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図である。
図１に示すように、このＬＥＤ素子１は、上面側にｎ側電極１０及びｐ側電極２０が形成されるフェイスアップ型である。平面視にて、ｎ側電極１０はＬＥＤ素子１の上面の中央に形成され、ｐ側電極２０がｎ側電極１０を取り囲むよう形成されている。本実施形態においては、平面視にて、ＬＥＤ素子１は略正方形状を呈している。また、ｎ側電極１０は、ＬＥＤ素子１の中央側の領域に円形に形成される本体１１と、本体１１からＬＥＤ素子１の１つの隅部（図１においては左上の隅部）へ向かって突出する線状の突出部１２と、を有している。また、ｐ側電極２０は、ＬＥＤ素子１の外縁側の領域に形成されている。

図２に示すように、ＬＥＤ素子１は、サファイアからなる基板３０と、基板３０上に形成されＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）の式で表されるＧａＮ系半導体４０と、を備えている。半導体積層体としてのＧａＮ系半導体４０は、基板３０上に成膜されるバッファ層４１と、バッファ層４１上に形成される第１導電型層としてのｎ型層４２と、ｎ型層４２上に形成される多重量子井戸構造の発光層４３と、発光層４３上に形成される第２導電型層としてのｐ型層４４と、を下側からこの順で有している。

バッファ層４１は、例えばＡｌＮにより形成される。また、ｎ型層４２は、例えば、ＳｉドープのＧａＮからなるｎ型コンタクト層と、ＳｉドープのＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層と、から構成することができる。また、バッファ層４１とｎ型層４２の間にノンドープのＧａＮ層を形成してもよい。

発光層４３は、例えば、ＩｎＧａＮからなる井戸層とノンドープのＧａＮからなる障壁層を所定のペア数積層して構成することができる。また、ｐ型層４４は、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層と、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型コンタクト層と、から構成することができる。

図３に示すように、ＧａＮ系半導体４０の平面視中央部は、ｎ型層４２が露出するまで例えばエッチングにより掘削され、露出したｎ型層４２上に第１電極としてのｎ側電極１０が形成される。本実施形態においては、ＧａＮ系半導体４０は、ｎ側電極１０の形状に応じて掘削される。また、第２電極としてのｐ側電極２０は、ｐ型層４４上に形成される透明電極２１と、透明電極２１上に形成される金属製の補助電極２２と、を有している。

ｎ側電極１０は、例えば、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。透明電極２１は、酸化物からなり、例えば、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）により形成することができる。尚、透明電極２１は、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）、酸化錫（ネサ）、酸化亜鉛等に形成することもできる。また、補助電極２２は、金属からなり、例えば、Ｎｉからなる第１層と、Ａｕからなる第２層とから構成することができる。

図１に示すように、本実施形態においては、透明電極２１は、ｐ型層４４上の外縁部分を除いてｐ型層４４上のほぼ全面に形成されている。また、補助電極２２は、平面視にて、ＬＥＤ素子１における１つの隅部（図１においては右下の隅部）の近傍に形成されるパッド部２３と、パッド部２３と連続的に形成されｎ側電極１０の本体１１を半分以上取り囲む線状の包囲部２４と、を有している。本実施形態においては、パッド部２３は、ｎ側電極１０の突出部１２と反対側の隅部に形成される。

また、本実施形態においては、パッド部２３は円形に形成され、包囲部２４はｎ側電極１０の本体と同心の円弧状に形成される。包囲部２４は、平面視にて、パッド部２３のｎ側電極１０側端部と一体的に形成されており、ｎ側電極１０と同心の円弧状の円弧状区間を有するといえる。パッド部２３は包囲部２４の外側に形成され、ワイヤが接続されて外部からの電力供給部位として機能し、包囲部２４はＧａＮ系半導体４０へ流れる電流を拡散させる機能を有している。

包囲部２４は、電流拡散を考慮すると、ｎ側電極１０の本体１１との平面視の距離が最小となる最小距離部２５を、周方向について複数箇所有する必要がある。本実施形態においては、図１に示すように、包囲部２４は、延在方向にわたってｎ側電極１０との距離ａが一定となっており、最小距離部２５を延在方向にわたって複数箇所有しているといえる。線状の包囲部２４の幅寸法は任意であるが、本実施形態においては１０μｍである。また、包囲部２４の延在方向長さも任意であるが、本実施形態においては、ｎ側電極１０の本体１１を、平面視にて２７０°包囲している。

図１に示すように、本実施形態においては、ｎ側電極１０の突出部１２と包囲部２４の両端との最短距離は、ｎ側電極１０の本体１１と包囲部２４との距離ａと等しくなっている。尚、突出部１２と包囲部２４の両端との最短距離は、ｎ本体１１と包囲部２４との距離ａよりも大きくてもよいが、距離ａに対して１．２倍以内とすることが望ましい。これにより、ｎ側電極１０の突出部１２と補助電極２２との間で電流が集中するようなことがなくなる。また、線状の突出部１２の幅寸法は任意であるが、本実施形態においては１０μｍである。また、突出部１２の突出方向長さも任意であるが、本実施形態においては、包囲部２４の両端における接線の交点付近まで延びている。

また、ｎ型層４２と透明電極２１のシート抵抗の比が、ｎ側電極１０と補助電極２２の包囲部２４との平面視における互いの対向部分の長さの比と、略等しくなっている。これらの比が略等しいとは、これらの比の差がシート抵抗の比又は長さの比に対して２５％以内のことをいう。

本実施形態においては、図１に示すように、ｎ側電極１０とｐ側電極２０の包囲部２４は、互いの対向部分の長さｂ，ｃが略等しくなっている。本実施形態においては、包囲部２４の対向部分の長さｂは包囲部２４の内周部分の長さであり、ｎ側電極１０の対向部分の長さｃは本体１１の外周部分と突出部１２の幅方向外縁部分とを足し合わせた長さである。これらの長さが略等しいとは、例えば、これらの長さの差がｎ側電極１０の対向部分の長さｃ又は包囲部２４の対向部分の長さｂに対して１０％以内であることをいう。

また、本実施形態においては、透明電極２１は、ｎ型層４２とシート抵抗が略等しくなっている。ここで、シート抵抗が略等しいとは、例えば、これらの抵抗値の差がｎ型層４２のシート抵抗又は透明電極２１のシート抵抗に対して１０％以内の範囲であることをいう。尚、透明電極２１は、ｐ型層４４よりもシート抵抗が小さくなっている。そして、補助電極２２は、透明電極２１よりもシート抵抗が小さくなっている。

以上のように構成されたＬＥＤ素子１は、ｎ側電極１０及びｐ側電極２０に電圧を印加すると、ｎ型層４２、発光層４３及びｐ型層４４に電流が流れ、電子と正孔の再結合により発光層４３から所定波長の光が放射される。本実施形態においては、発光層４３から青色光が放射される。

ここで、ｐ側電極２０において、補助電極２２が透明電極２１よりもシート抵抗が小さいことから、透明電極２１における補助電極２２との接触部分に優先的に電流が流れる。補助電極２２は、平面視にて、ｎ側電極１０の本体１１を半分以上包囲する包囲部２４を有し、しかも包囲部２４がｎ側電極１０との距離が最小となる最小距離部２５を複数箇所有することから、補助電極２２とｎ側電極１０との間で電流は均一に拡散する。また、ｎ側電極１０は包囲部２４の両端の間へ延びる突出部１２を有することから、包囲部２４の両端と突出部１２の間でも電流が流れる。これにより、電圧印加時、発光層４３にて比較的大きな面積で発光させることができる。

発光層４３から放射される光のうち、ｐ側電極２０へ向かう成分については、透明電極２１を透過して素子外部へ出射される。ここで、補助電極２２の包囲部２４は、線状に形成されているので、当該包囲部２４により外部への光の出射が阻害されることはなく、補助電極２２による光取り出し効率の低下を最小限に抑制することができる。

本実施形態においては、ｎ側電極１０の本体１１が円形であり、包囲部２４がこれと同心の円弧状であることから、包囲部２４は延在方向にわたってｎ側電極１０の本体１１との距離が等しく、包囲部２４とｎ側電極１０で電流をより均一に拡散することができる。これに加え、ｎ側電極１０の突出部１２と包囲部２４の両端との最短距離が、本体１１と包囲部２４の距離ａと等しいことから、ｎ側電極１０の本体１１及び突出部１２と補助電極２２との間でも電流を均一に拡散させることができ、実用に際して極めて有利である。

また、本実施形態においては、補助電極２２の包囲部２４を、隅部に形成されるパッド部２３のｎ側電極１０側端部から、ｎ側電極１０の本体１１と同心の円弧状としたので、包囲部２４とｎ側電極１０との距離を比較的大きくとることができる。これにより、包囲部２４をｎ側電極１０から比較的離隔して形成することができ、発光層４３をより効果的に発光させることができる。さらに、ｎ側電極１０の突出部１２を、補助電極２２のパッド部２３と反対の隅部に配置するようにしたので、パッド部２３と反対の隅部にも電流が流れ、発光層４３を無駄なく発光させることができる。

また、ｎ側電極１０と補助電極２２の間に流れる電流は、主としてｎ側電極１０と補助電極２２の包囲部２４の対向部分の間で流れることとなるが、これらの対向部分の寸法が略等しいことから、ｎ側電極１０と補助電極２２との間で電流をより拡散することができる。さらに、ｐ側電極２０の透明電極２１のシート抵抗と、ｎ型層４２のシート抵抗を略等しくしたので、ｎ側電極１０と補助電極２２のいずれかの側に発光が偏るようなことはなく、ｎ側電極１０と補助電極２２の間で発光層４３を均一に発光させることができる。そして、ｎ側電極１０の対向部分と補助電極２２の包囲部２４の対向部分の長さが等しいことと、ｐ側電極２０の透明電極２１とｎ型層４２のシート抵抗が等しい異が相俟って、発光層４３を効率良く発光させることができる。また、装置内の過度の電流集中を防止することができ、信頼性を確保しやすく、かつ、静電耐圧性能も比較的高くすることができる。

尚、前記実施形態においては、ｎ型層４２と透明電極２１のシート抵抗が略等しいものを示したが、これらのシート抵抗が略等しくなくとも、補助電極２２が平面視にてｎ側電極１０の本体１１を半分以上包囲しｎ側電極１０の本体１１との平面視の距離が最小となる最小距離部２５を延在方向について複数有する線状の包囲部２４を含み、ｎ側電極１０が平面視にて本体１１から包囲部２４の両端の間へ延びる線状の突出部１２を有していればよい。ｎ型層４２と透明電極２１のシート抵抗が異なる場合、ｎ型層４２と透明電極２１のシート抵抗の比が、ｎ側電極１０と補助電極２２の包囲部２４との平面視における互いの対向部分の長さの比と、略等しいことが好ましい。これにより、ｎ型層４２と透明電極２１のうち、シート抵抗の高い方の電極の近傍に発光が集中することとなるところ、ｎ側電極１０と補助電極２２の包囲部２４との対向部分の長さの比は、ｎ型層４２と透明電極２１のシート抵抗の比と略等しいことから、電流が集中するエリアが比較的広くなり、過度の電流集中を防止して電流を拡散させることができる。

また、前記実施形態においては、補助電極２２の包囲部２４が円弧状であるものを示したが、延在方向について最短距離部２５を複数箇所有していれば包囲部２４の形状は任意である。例えば図４に示すように、包囲部２４につき、パッド部２３の近傍をパッド部２３のｎ側電極１０側端部と一体的に形成される円弧状区間２４ａとし、パッド部２３と離隔した部分をＬＥＤ素子２の外縁に沿った外縁区間２４ｂとしてもよい。

この場合、外縁区間２４ｂにｎ側電極１０との距離が最短となる最短距離部２５を形成することが好ましい。図４においては、外縁区間２４ｂは、ＬＥＤ素子２の辺縁に沿った直線状の辺縁区間２４ｂ１と、各辺縁区間２４ｂ１を接続する円弧状の接続区間２４ｂ２と、を有している。図４においても、包囲部２４は、ｎ側電極１０の本体１１を２７０°包囲している。図４においては、突出部１２は、包囲部２４の両端側に位置する辺縁区間２４ｂ１の延長線上の交点付近まで延びている。

また、前記実施形態においては、包囲部２４がｎ側電極１０の本体１１を２７０°包囲するものを示したが、本体１１を半分以上（１８０°以上）包囲するものであれば、本体１１の包囲角度は適宜変更することができる。本体１１が半分以上包囲されていれば、ｎ側電極１０の突出部１２を包囲部２４の両端の間に突出させることが可能となる。

また、前記実施形態においては、ｎ側電極１０の本体１１が平面視にて円形に形成されるものを示したが、ｎ側電極１０の本体１１が多角形に形成されるものであってもよい。また、ＬＥＤ素子１が平面視にて略正方形状に形成されるものを示したが、例えば略長方形状であったり、他の形状であってもよいことは勿論である。

また、前記実施形態においては、半導体積層体としてＧａＮ系半導体層４０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４２、第２導電型層としてｐ型層４４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３０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側電極１０、補助電極２２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

１ＬＥＤ素子
１０ｎ側電極
１１本体
１２突出部
２０ｐ側電極
２１透明電極
２２補助電極
２３パッド部
２４包囲部
２４ａ円弧状区間
２４ｂ外縁区間
２４ｂ１辺縁区間
２４ｂ２接続区間
２５最短距離部
３０基板
４０ＧａＮ系半導体層
４１バッファ層
４２ｎ型層
４３発光層
４４ｐ型層

Claims

第１導電型層、発光層及び第２導電型層を下側から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る第１電極と、
前記第２導電型層上に形成され酸化物からなり当該第２導電型層よりもシート抵抗が小さい透明電極、及び、当該透明電極上に形成され金属からなり当該透明電極よりもシート抵抗が小さい補助電極を有する第２電極と、を備え、
前記補助電極は、平面視にて素子の中央側の領域に形成される前記第１電極の本体を半分以上包囲し前記第１電極の前記本体との平面視の距離が最小となる最小距離部を延在方向について複数有する線状の包囲部と、平面視にて前記包囲部の外側であって前記素子の１つの隅部に形成されワイヤを接続するためのパッド部と、を含み、
前記第１電極は、平面視にて、前記本体から前記包囲部の両端の間から前記素子の１つの隅部と反対側の隅部の方向へ延びる線状の突出部を有し、
前記第１電極の前記突出部は、前記包囲部の前記両端との平面視の距離が前記最小距離部と等しい半導体発光素子。
前記第１導電型層と前記透明電極とのシート抵抗の比は、前記第１電極と前記補助電極の前記包囲部との平面視における互いの対向部分の長さの比と、略等しい請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第１導電型層及び前記透明電極は、前記シート抵抗が略等しく、
前記補助電極の前記包囲部及び前記第１電極は、前記対向部分の長さが略等しい請求項２に記載の半導体発光素子。
前記包囲部は、平面視にて、延在方向にわたって前記第１電極の前記本体との距離が前記最小距離部で一定となっている請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
前記第１電極の前記本体は、平面視にて円形に形成される請求項４に記載の半導体発光素子。
前記包囲部は、平面視にて、前記パッド部の前記第１電極側端部と一体的に形成され、前記第１電極の前記本体と同心の円弧状の円弧状区間を有する請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。