JP5494005B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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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、第１導電型層上にＩＴＯからなる透明電極が形成され、透明電極上にさらに電流拡散用の補助電極が形成されている。
しかしながら、特許文献１に半導体発光素子では、発光層から透明電極へ入射した光は、補助電極にて反射されるものの、透明電極内で少なからず吸収されてしまうという問題点があった。
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く、前記第１導電型層との接触抵抗が前記透明電極よりも大きく、前記透明電極よりもシート抵抗が小さい補助電極と、前記第２導電型層の露出した領域上に形成されて前記補助電極とともにｐ側及びｎ側の電極を構成する他の電極と、前記補助電極と前記他の電極のそれぞれの所定の位置上に外部電源接続用の開口を形成して前記透明電極上、前記他の電極上及び前記半導体積層体上に形成される絶縁層と、を備え、前記補助電極は、前記外部電源接続用の開口に対応する部分とこの部分の外側に拡がる部分とを含むワイヤ接続部と、このワイヤ接続部から前記他の電極の方向に延伸する線状の延伸部を有し、前記透明電極は、前記補助電極の一部を覆うとともに前記補助電極の外縁を経て外方へ伸びており、かつ、前記補助電極の前記所定の位置としての前記ワイヤ接続部上に形成された前記絶縁層の前記外部電源接続用の前記開口の直下に形成された開口を有し、前記透明電極の前記開口の内壁は、前記外部電源接続用の前記開口を形成する前記絶縁層によって被覆されていて前記補助電極を介して前記外部電源と接続され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、前記補助電極は、屈折率の異なる２つの材料の複数の層から形成されることにより分布ブラッグ反射器を構成することが好ましい。
上記半導体発光素子において、平面視にて前記補助電極の少なくとも一部と重なるように、前記補助電極上又は前記透明電極上に形成される表面電極を備えることが好ましい。
上記半導体発光素子において、前記第２導電型層上に形成され、前記第１導電型層の前記表面電極と同じ材料からなることが好ましい。
上記半導体発光素子において、前記半導体発光素子は、フェイスアップタイプであり、前記表面電極は、ボンディングワイヤとの接合性が前記透明電極及び前記補助電極よりも良好であることが好ましい。
上記半導体発光素子において、前記半導体発光素子は、フリップチップタイプであり、前記表面電極は、バンプとの接合性が前記透明電極及び前記補助電極よりも良好であることが好ましい。
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から図３は本発明の第１の実施形態を示し、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側クラッド層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、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（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の間に形成される補助電極６０を備えている。
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。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。
補助電極６０は、ｐ型コンタクト層２７と接触する層が、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、補助電極６０におけるｐ型コンタクト層２７と接触する層は、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。本実施形態においては、補助電極６０におけるｐ型コンタクト層２７と接触する層は、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。
本実施形態においては、補助電極６０は、ｐ型コンタクト層２７と接触する層と、当該層上に形成される表面側の層とが積層して形成される。表面側の層は、
ワイヤ７０をボンディングしやすく、かつ、下層側を腐食から保護する材料とする材料が好ましい。このような材料として、例えばＡｕを例示することができます。また、表面側の層は、下層側よりシート抵抗が小さい材料が好ましい。さらに、補助電極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）として、発光層２５から発せられる光を全反射するようにしたものと組み合わせることも可能である。補助電極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。
ワイヤ７０をボンディングしやすく、かつ、下層側を腐食から保護する材料とする材料が好ましい。このような材料として、例えばＡｕを例示することができます。また、表面側の層は、下層側よりシート抵抗が小さい材料が好ましい。さらに、補助電極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）として、発光層２５から発せられる光を全反射するようにしたものと組み合わせることも可能である。補助電極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。
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、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。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。
本実施形態においては、絶縁層５０としてＳｉＯ２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、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５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における補助電極６０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。本実施形態においては、透明電極３０は、絶縁層５０の開口５２の直下に形成される開口３２を有している。そして、これらの開口３２，５２，５４を通じて、ボンディングワイヤ７０，７２が補助電極６０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。
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。
補助電極６０は、開口５２の直下に形成されており、略円形のワイヤ接続部６２と、ワイヤ接続部６２から延伸する線状の延伸部６４と、を有している。本実施形態においては、延伸部６４は、ワイヤ接続部６２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とワイヤ接続部６２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、補助電極６０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、補助電極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中のＡの矢印で示すように、電流は補助電極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、補助電極６０は、透明電極３０よりもシート抵抗が小さいことから、電流は補助電極６０に優先的に流れ、補助電極６０にて拡散されてから透明電極３０へ流れる。従って、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、補助電極６０へ入射する光は、図３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。従って、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、両者の界面が反応により反射率が低下する場合がある。製造条件等にもよるが、両者の界面の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、補助電極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、仮に補助電極６０と透明電極３０の界面の反射率が低下しても、補助電極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。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、補助電極６０が絶縁層５０と透明電極３０の２層で覆われることから、補助電極６０を腐食等から的確に保護することができ、補助電極６０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、補助電極６０にボンディングワイヤ７０を直接設けるものを示したが、例えば図４に示すように、補助電極６０上にワイヤ７０との良好な接合性を有するｐパッド電極８０を形成してもよい。表面電極としてのｐパッド電極８０は、平面視にて補助電極６０よりも内側に重なるよう形成されており、光が補助電極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、開口３２を形成せずに透明電極３０により補助電極６０を全面的に覆った場合は、ｐパッド電極８０を透明電極３０上に形成すればよく、この場合もｐパッド電極８０が平面視にて補助電極６０と重なるようにすることが好ましい。尚、ｐパッド電極８０は、平面視にて、補助電極６０の少なくとも一部と重なっていればよい。
また、この場合、ｐパッド電極８０とｎ電極４０を同じ材料とすることが好ましい。これにより、ｐパッド電極８０とｎ電極４０を同時に形成することができる。例えば、ｎ電極４０がＮｉ／Ａｕである場合、ｐパッド電極８０もまたＮｉ／Ａｕとすればよい。
図５は、本発明の第２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５に示すように、この発光素子２０１は、下面側にｐ電極としての透明電極３０及びｎ電極４０が形成されるフリップチップ型である。発光素子２０１は、基板１０と、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２７とを含む半導体積層構造を備え、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。
図５に示すように、この発光素子２０１は、下面側にｐ電極としての透明電極３０及びｎ電極４０が形成されるフリップチップ型である。発光素子２０１は、基板１０と、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２７とを含む半導体積層構造を備え、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。
また、発光素子２０１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。
本実施形態においては、絶縁層５０は、発光層２５から発せられる光を反射する反射層９０を含んで形成される。反射層９０は、発光層２５が発する光を反射する金属材料、例えば、Ａｌから形成される。反射層９０は、Ａｇから形成することもでき、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。また、反射層９０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であってもよい。
また、発光素子２０１は、透明電極３０とｐ型コンタクト層２７の間に介在する補助電極２６０を備えている。補助電極２６０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、補助電極２６０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。
また、絶縁層５０における補助電極２６０の下側中央と、ｎ電極４０の下側中央は、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２５２，２５４が形成される。本実施形態においては、透明電極３０は、補助電極２６０を全面的に覆っている。そして、これらの開口２３２，２５２，２５４を通じて、バンプ電極２７０，２７２が補助電極２６０及びｎ電極４０と接続される。
以上のように構成された発光素子１によれば、補助電極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６Ａ（ａ）中のＡの矢印で示すように、電流は補助電極２６０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、補助電極２６０は、透明電極３０よりもシート抵抗が小さいことから、電流は補助電極２６０に優先的に流れ、補助電極２６０にて拡散されてから透明電極３０へ流れる。従って、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、補助電極２６０へ入射する光は、図６Ａ（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、補助電極２６０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、仮に補助電極２６０と透明電極３０の界面で反射率が低下したとしても、補助電極２６０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。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２０１とすることができる。
また、補助電極２６０が絶縁層５０と透明電極３０の２層で覆われることから、補助電極２６０を腐食等から的確に保護することができ、補助電極２６０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、補助電極２６０が透明電極３０により全面的に覆われたものを示したが、例えば図６Ａ（ｂ）に示すように、透明電極３０における絶縁層５０の開口２５２の直上に開口２３２を形成してもよい。
また、前記実施形態においては、透明電極３０の開口２３２がバンプ２７０と接触するものを示したが、例えば図６Ｂ（ｃ）に示すように、開口２３２を絶縁層５０により覆って、透明電極３０がバンプ２７０と直接的に接触しないようにしてもよい。さらには、図６Ｂ（ｄ）に示すように、透明電極３０上に表面電極としての中間電極２８０を形成してもよい。中間電極２８０は、バンプ２７０との接合性が透明電極３０よりも良好な金属により形成される。
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、補助電極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
２２ ｎ型コンタクト層
２３ ｎ型ＥＳＤ層
２４ ｎ型クラッド層
２５ 発光層
２６ ｐ型クラッド層
２７ ｐ型コンタクト層
３０ 透明電極
３２ 開口
４０ ｎ電極
５０ 絶縁層
５２ 開口
５４ 開口
６０ 補助電極
６２ ワイヤ接続部
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
１０１ 発光素子
２０１ 発光素子
２３２ 開口
２５２ 開口
２５４ 開口
２６０ 補助電極
２７０ バンプ
２７２ バンプ
１０ 基板
２０ バッファ層
２２ ｎ型コンタクト層
２３ ｎ型ＥＳＤ層
２４ ｎ型クラッド層
２５ 発光層
２６ ｐ型クラッド層
２７ ｐ型コンタクト層
３０ 透明電極
３２ 開口
４０ ｎ電極
５０ 絶縁層
５２ 開口
５４ 開口
６０ 補助電極
６２ ワイヤ接続部
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
１０１ 発光素子
２０１ 発光素子
２３２ 開口
２５２ 開口
２５４ 開口
２６０ 補助電極
２７０ バンプ
２７２ バンプ
Claims (1)
- 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く、前記第１導電型層との接触抵抗が前記透明電極よりも大きく、前記透明電極よりもシート抵抗が小さい補助電極と、
前記第２導電型層の露出した領域上に形成されて前記補助電極とともにｐ側及びｎ側の電極を構成する他の電極と、
前記補助電極と前記他の電極のそれぞれの所定の位置上に外部電源接続用の開口を形成して前記透明電極上、前記他の電極上及び前記半導体積層体上に形成される絶縁層と、を備え、
前記補助電極は、前記外部電源接続用の開口に対応する部分とこの部分の外側に拡がる部分とを含むワイヤ接続部と、このワイヤ接続部から前記他の電極の方向に延伸する線状の延伸部を有し、
前記透明電極は、前記補助電極の一部を覆うとともに前記補助電極の外縁を経て外方へ伸びており、かつ、前記補助電極の前記所定の位置としての前記ワイヤ接続部上に形成された前記絶縁層の前記外部電源接続用の前記開口の直下に形成された開口を有し、
前記透明電極の前記開口の内壁は、前記外部電源接続用の前記開口を形成する前記絶縁層によって被覆されていて前記補助電極を介して前記外部電源と接続される半導体発光素子。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010042519A JP5494005B2 (ja) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | 半導体発光素子 |
| US12/929,757 US8274070B2 (en) | 2010-02-26 | 2011-02-14 | Semiconductor light-emitting element including an auxiliary electrode |
| CN201110046839.5A CN102169942B (zh) | 2010-02-26 | 2011-02-24 | 半导体发光元件 |
Applications Claiming Priority (1)
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