JP7532483B2 - 半導体発光部品 - Google Patents

Description

本発明は発光ダイオードの構造に関するものである。

図１を参照すると、これは従来の発光ダイオード１００（Light Emitting Diode、ＬＥＤ）を示す図である。この発光ダイオード１００は、基板５ｂと、エピタキシ構造１ｂと、２つの電極２及び９ｂとを含み、該エピタキシ構造１ｂは、第一半導体積層１１ｂと、活性層１０ｂと、第二半導体積層１２ｂを含む。電極２は、エピタキシ構造１ｂの上表面に形成されかつ金属導線２ｂによって外部の電源に電気的に接続され、電極９ｂは基板５ｂの下方に形成される。電極２及び９ｂによって外部電源の電流が活性層１０ｂで流れるとき、活性層１０ｂ中のホール（Electron hole）が互いに複合（recombination）し、所定の波長を有する光子が釈放されるので、発光ダイオード１００が発光することができる。しかし、発光ダイオードの体積が小さくなればなるほど、エッチングによって結晶粒子の側壁に形成される結晶格子の欠陥により、非輻射複合効果（non－radiative recombination）に関する影響が激しくなり、発光効率が低下する欠点を有している。

本発明に係る発光部品はエピタキシ層と主出射面を含む。前記エピタキシ層は、第一半導体積層、第二半導体積層及び、第一半導体積層と第二半導体積層との間に位置しかつ光線を放射する活性層を含む。前記主出射面は前記第一半導体積層上に位置し、前記光線は該主出射面を透過する。前記主出射面は、第一出射区域、第二出射区域及び最大近接場光度を有する。前記第一出射区域内の近接場光度は最大近接場光度の７０％～１００％の間に入り、前記第二出射区域内の近接場光度は最大近接場光度の０％～７０％の間に入る。

従来の半導体発光ダイオードを示す図である。 本発明の第一実施例に係る半導体発光部品を示す図である。 本発明の第一実施例に係る半導体発光部品を示す図である。 本実施例の第一実施例に係る半導体発光部品を示す平面図である。 本発明の第二実施例に係る半導体発光部品を示す図である。 本発明の第二実施例に係る半導体発光部品を示す図である。 本発明の他の実施例に係る半導体発光部品を示す図である。

（第一実施例）
図２Ａは、本発明の第一実施例に係る半導体発光部品１Ａを示す図である。半導体発光部品１Ａはエピタキシ構造１（エピタキシ層とも言う）を含み、このエピタキシ構造１は第一半導体積層１１、活性層１０及び第二半導体積層１２を含む。第一半導体積層１１の上表面１１ａの中心位置には正面電極２１が形成され、これは第一半導体積層１１と電気接続する。第一半導体積層１１の上表面１１ａにおいて、正面電極２１に覆われていない部分が粗い表面であることにより、光取出し率を向上させることができる。第二半導体積層１２の下表面１２ａの中心位置には第二抵抗接触構造２２が形成され、この第二抵抗接触構造２２は第二半導体積層１２と電気接続する。第二半導体積層１２の下表面１２ａ上には反射積層３が形成され、この反射積層３は第二半導体積層１２と第二抵抗接触構造２２を覆う。反射積層３は、第二半導体積層１２及び第二抵抗接触構造２２を覆う透明導電層３１と、透明導電層３１を覆う金属反射層３２と、金属反射層３２を覆う遮断層３３とを含む。反射積層３には粘着層４によって接着される導電基板５がある。反射積層３と対向する導電基板５の他側には背面電極９が設置される。正面電極２１と背面電極９で電流が流れるとき、活性層１０が発光し、活性層１０の光線は第一半導体積層１１と第二半導体積層１２を透過することができる。第一半導体積層１１及び第二半導体積層１２のバンドギャップが活性層１０のバンドギャップより大きいことにより、活性層１０が放射する光線に対して第一半導体積層１１及び第二半導体積層１２の透明度は５０％以上になる。この光線は、第一半導体積層１１を直接透過してから上表面１１ａ又はエピタキシ構造１の側面１Ｓから出射するか、或いは反射積層３に反射された後第一半導体積層１１の上表面１１ａ又はエピタキシ構造１の側面１Ｓから出射することができる。

活性層１０は多重量子井戸（Multiple Quantum Wells）構造を含む。第一半導体積層１１は、第一電気制限層（confining layer）１１１、第一電気包装層（cladding layer）１１２、第一電気窓口層（window layer）１１３及び第一電気接触層（contact layer）１１４を含む。第二半導体積層１２は、第二電気制限層１２１、第二電気包装層１２２、第二電気窓口層１２３及び第二電気接触層１２４を含む。第一電気包装層１１２及び第二電気包装層１２２がそれぞれ提供する電子、ホールは活性層１０中で複合して発光し、第一電気包装層１１２及び第二電気包装層１２２は活性層１０より大きいバンドギャップを有している。第一電気制限層１１１及び第一電気包装層１１２は、電子、ホールが活性層１０中で複合する確率を向上させ、かつ活性層１０より大きいバンドギャップを有している。第一電気窓口層１１３及び第二電気窓口層１２３が包装層より小さいシート抵抗（sheet resistance）を有していることにより、電流流れを分散させるとともに活性層１０から出射する光線の取出し率を向上させることができる。第一電気接触層１１４及び第二電気接触層１２４は、正面電極２１及び第二抵抗接触構造２２に電気的に接続される。第一半導体積層１１、活性層１０及び第二半導体積層１２の材料はIII－Ｖ族半導体材料、例えばAlxInyGa(1-x-y)N又はAlxInyGa(1-x-y)Pを含むことができ、１≦ｘ、ｙ≦１、（ｘ+ｙ）≦１である。第一電気性及び第二電気性は、異なる元素を入れることにより異なる電気性を有する。例えば、第一電気性はｎ型であり、第二電気性はＰ型であるか、或いは第一半導体積層１１はｎ型半導体であり、第二半導体積層１２はＰ型半導体であることができる。活性層１０の材料によってエピタキシ構造１は、波長が６１０ｎｍ～６５０ｎｍである赤色光を放射するか、或いは波長が５３０ｎｍ～５７０ｎｍである緑色光を放射するか、或いは波長が４４０ｎｍ～４９０ｎｍである青色光を放射することができる。

図３は、本実施例の半導体発光部品１Ａを示す平面図である。半導体発光部品１Ａが具備する辺縁８により上表面１１ａの形状が形成される。本実施例において、上表面１１ａの形状が円形であるが、他の実施例において、上表面１１ａの形状は、長方形、不等辺五角形、不等辺六角形などのような多辺形であるか、或いは正方形、正五角形、正六角形などのような正多辺形であることができる。正面電極２１と第二抵抗接触構造２２がそれぞれ上表面１１ａと下表面１２ａの中心に位置することにより、エピタキシ構造１の側面１Ｓで流れる電流の比率を低減することができる。本実施例において、正面電極２１と第二抵抗接触構造２２の面積は、第一半導体積層１１の上表面１１ａと第二半導体積層１２の下表面１２ａの面積の約１％～１０％を占める。したがって、正面電極２１と第二抵抗接触構造２２の面積が大きすぎることによって光線が遮光されることを避け、かつ正面電極２１の面積が小さすぎることによって正方向スレッショルド電圧（forward threshold voltage）が非常に高くなりかつ発光効率が低下することを避けることができる。正面電極２１と第二抵抗接触構造２２の面積が上表面１１ａと下表面１２ａの面積の約２％を占めるとき、最高の発光効率を獲得することができる。本実施例において、第一半導体積層１１の面積と第二半導体積層１２の面積が同様であってもよい。

本実施例において、第一半導体積層１１の上表面１１ａの面積が１００００μｍ^２より小さいか、或いは上表面１１ａの周辺長さが４００μｍより小さい。正面電極２１は上表面１１ａの中心に位置し、正面電極２１と辺縁８との間の最小距離は５０μｍより小さい。エピタキシ構造１の厚さが１０μｍであるとき、エピタキシ構造１の厚さと上表面１１ａの周辺長さとの間の比率は少なくとも１％以上であるが、好ましくは２．５％以上である。これにより、電流流れがエピタキシ構造１内で容易に散布されることができ、半導体発光部品１Ａのエピタキシ構造１の側面１Ｓで流れる電流の比率を増加させることができる。本実施例において、エピタキシ構造１の総厚さを３μｍ以下まで薄くするか或いは１μｍ～３μｍの範囲に入るようにすることができるが、好ましくは１μｍ～２μｍの範囲に入ることである。エピタキシ構造１の厚さと上表面１１ａの周辺長さとの間の比率が少なくとも０．７５％以下になることにより、半導体発光部品１Ａの非輻射複合問題を低減し、発光効率を向上させることができる。第一半導体積層１１の総厚さは、活性層１０の上方から上表面１１ａの下方までのエピタキシ構造の総厚さであり、第二半導体積層１２の総厚さは、活性層１０の下方から下表面１２ａの上方までのエピタキシ構造の総厚さである。本実施例において、第一半導体積層１１の総厚さは、１μｍより大きくないが、好ましくは１０００Å～５０００Åの範囲に入る。第二半導体積層１２の総厚さは１μｍより大きくないが、好ましくは１０００Å～５０００Åの範囲に入る。第一半導体積層１１の第一電気制限層１１１、第一電気包装層１１２及び第一電気窓口層１１３において、各層の厚さは２０００Åより大きくないが、好ましくは５００Å～１５００Åの範囲に入る。第二半導体積層１２の第二電気制限層１２１、第二電気包装層１２２及び第二電気窓口層１２３において、各層の厚さは２０００Åより大きくないが、好ましくは５００Å～１５００Åの範囲に入る。第一電気接触層１１４と第二電気接触層１２４の厚さは２０００Åより大きくないが、好ましくは３００Å～１５００Åの範囲に入る。第一半導体積層１１の総厚さは１０００Å～５０００Åの範囲に入る。第一半導体積層１１の粗い表面はドライエッチング又はウエットエッチング方法で形成することができるが、エッチングの深さを精密に制御するため、誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma、ＩＣＰ）エッチング方法を採用することができる。この場合、エッチングの深さを精密に制御できないことによって第一半導体積層１１の構造を貫通し、漏電経路が形成される問題を避けることができる。第一半導体積層１１の粗い表面上において、隣接する頂部と谷部との間の垂直方向の距離は５００Å～３０００Åの範囲に入る。

本実施例において、半導体発光部品１Ａの上表面１１ａの形状が円形であり、エピタキシ構造１の側面１ＳをＩＣＰエッチングで形成することが好ましい。エピタキシ構造１の側面１Ｓが粗い面或いは凸凹な表面であるとき、半導体発光部品１Ａのエピタキシ構造１の側面１Ｓで流れる電流流れの比率が増加し、非輻射複合効果による影響が激しくなることにより、発光効率が低下する。エピタキシ構造１の側面１Ｓの面積を低減するため、上表面１１ａの面積がいずれも１００００μｍ^２である半導体発光部品１Ａにおいて、上表面１１ａの形状が円形でありかつこの周辺長さが３５４μｍであるものを採用することは、上表面１１ａの形状が正方形でありかつこの周辺長さが４００μｍであるものを採用することよりよい。すなわち、上表面１１ａの周辺長さが短ければ短いほど、エピタキシ構造１の側面１Ｓの面積が低下し、粗い側面１Ｓの非輻射複合効果を低減することができる。上表面１１ａの形状が円形であるとき、上表面１１ａの中心の正面電極２１と辺縁８との間の距離が同様であるので、電流の伝播経路をエピタキシ構造１の内部区域に限定することができる。

図３に示されるとおり、半導体発光部品１Ａの上表面１１ａは主出射面を含み、該主出射面は第一出射区域７１と第二出射区域７２を含む。第一出射区域７１は上表面１１ａの中央部分に位置し、第二出射区域７２は第一出射区域７１と辺縁８との間に位置する。発光部品１Ａを表示パネルなどの小電流の駆動装置、例えば駆動電流密度が０．１～１Ａ／ｃｍ^２の間にある駆動装置に応用するとき、上表面１１ａは近接場光度（near－field luminous intensity）分布Ｓを具備する。最大近接場光度１００％は第一出射区域７１内に位置し、第一出射区域７１内の近接場光度はいずれも最大近接場光度の７０％より大きく、第二出射区域７２内の近接場光度は最大近接場光度の０％～７０％の間に入るが、好ましくは３０％～７０％の間に入る。本実施例において、エピタキシ構造１の厚さが大幅に減少することにより、エピタキシ構造１を通過する電流の間の距離を低減し、電流流れがエピタキシ構造１の内部に集中しかつエピタキシ構造１の辺縁に拡散しないように制限することができる。また、正面電極２１と第二抵抗接触構造２２がそれぞれ上表面１１ａと下表面１２ａの中心に位置することにより、半導体発光部品１Ａの上表面１１ａで流れる電流流れの比率を低減し、かつ非輻射複合効果による発光効率の損失を低減することができる。第一出射区域７１の形状は上表面１１ａの形状と類似する円形であり、第一出射区域７１と第二出射区域７２の面積比は０．２５～０．４５の間に入る。本実施例において、活性層１０と主出射面との間には分布ブラッグ反射層（ＤＢＲ）が設けられていない。

本実施例において、半導体発光部品１Ａの上表面１１ａの面積は１００００μｍ^２より小さく、かつ上表面１１ａの形状が正方形であるとき、この周辺長さは４００μｍより小さく、上表面１１ａの形状が円形であるとき、この周辺長さは３５４μｍより小さい。外部の電流を流入させるため、幅が約５～１０μｍの金属導線で正面電極２１を上表面１１ａ上に電気接続させるとき、金属導線に遮蔽される部分が上表面１１ａの少なくとも２．５％以上を占めるので、正面出射面の面積が低下する。このため、図２Ｂに示すとおり、半導体発光部品１Ａを応用するとき、背面電極９をサブ基板（sub-mount）６Ｂ上の電気回路構造、例えば導線構造に電気接続させることにより電気接続を形成し、かつ外部の透明電極６Ａを半導体発光部品１Ａの電極２１に電気接続させることにより外部の電流を流入させることができる。透明電極６Ａの材料は、導電性酸化物、例えば、酸化インジウム亜鉛、酸化インジウムスズ、ＩＧＺＯ（indium gallium zinc oxide）、酸化亜鉛又は酸化アルミニウム亜鉛を含む。他の実施例において、複数個の半導体発光部品１Ａとサブ基板６Ｂ上の電気回路構造とを電気接続させ、かつ透明電極６Ａで複数個の半導体発光部品１Ａの電極を電気接続させることにより、並列接続、直列接続又はこれらの組合せを形成することができる。本実施例の第一半導体積層１１は、例えばｎ型半導体であり、透明電極６Ａと電極２１は電気接続する。正面電極２１は金属材料で構成され、この材料はゲルマニウム（Ｇｅ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎi）、ゲルマニウム金合金又はゲルマニウム金ニッケル合金を含む。第二抵抗接触構造２２は、エピタキシ構造１の上表面１１ａと対向する下表面１２ａ上に位置し、かつ第二半導体積層１２と電気接続する。第二半導体積層１２の第二電気接触層１２４の不純物濃度は約１＊１０^１９／ｃｍ^３であり、第二抵抗接触構造２２の材料が透明酸化金属材料、例えば酸化インジウムスズであることにより、第二半導体積層１２と電気接続し、かつ光線が第二半導体積層１２の下表面１２ａを透過する比率を増加させることができる。第二抵抗接触構造２２の透明導電層３１の材料は、酸化インジウム亜鉛、ＩＧＺＯ（indium gallium zinc oxide）、酸化亜鉛又は酸化アルミニウム亜鉛を含むことができるが、これらに限定されるものではない。第二抵抗接触構造２２の金属反射層３２の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａl）又は金（Ａｕ）などの放射光線に対する反射率が９５より大きい材料を含むことができる。透明導電層３１は、金属反射層３２と第二半導体積層１２を隔離することにより両者が直接接触することを防止し、かつ半導体発光部品１Ａを電流で長く駆動するとき、金属反射層３２と第二半導体積層１２との間に物理又は化学反応が発生することにより反射率又は導電率が低下することを防止することができる。透明導電層３１は、電流を反射積層３に分散させることにより、熱が反射積層３の一部分の区域に集中することを避けることもできる。透明導電層３１の屈折率が少なくとも第二半導体積層１２の屈折率の０．１以上であるので、両者の間の屈折率の差によって全反射面が形成され、かつ活性層１０が放射する一部分の光線を反射することができる。反射されていない他の光線は、透明導電層３１を透過した後再び金属反射層３２に反射される。金属反射層３２上を覆う遮断層３３の材料は、チタン（Ｔi）、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、クラム（Ｃｒ）、これらの合金又はこれらの積層を含むことができる。遮断層３３は、金属反射層３２と粘着層４を隔離することにより、金属反射層３２の安定性を維持し、金属反射層３２と粘着層４との間に物理又は化学反応が発生することにより反射率又は導電率が低下することを防止する。粘着層４は、導電基板５と反射積層３を接合し、かつ電流が反射積層３と導電基板５との間で流れるようにする。粘着層４の材料は、インジウム（Iｎ）、チタン（Ｔi）、スズ（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、これらの合金又はこれらの積層を含むことができる。導電基板５の材料は、シリコン（Ｓi）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、銅タングステン合金（ＣｕＷ）、銅（Ｃｕ）又はモリブデン（Ｍｏ）を含むが、本発明はこれらに限定されるものではない。反射積層３の反対側の導電基板５上に設けられる背面電極９は金（Ａｕ）を含み、外部電流を流入させることに用いられる。

（第二実施例）
図４Ａと図４Ｂは、本発明の第二実施例に係る半導体発光部品１Ｂと１Ｃを示す図である。第二実施例と第一実施例の相違点は、第二実施例のエピタキシ構造１が制御層１３をことにある。図４Ａに示す半導体発光部品１Ｂにおいて、制御層１３は第一半導体積層１１中に設けられ、図４Ｂに示す半導体発光部品１Ｃにおいて、制御層１３は第二半導体積層１２中に設けられる。制御層１３は、導電区域１３ｂと酸化区域１３ａを含み、酸化区域１３ａは、導電区域１３ｂを包囲するとともにエピタキシ構造１の側面１Ｓを露出させる。導電区域１３ｂの材料は、導電性の（Al_xGa_1-x)Asであり、０．９＜ｘ≦１であることができる。酸化区域１３ａの材料は、電気絶縁性のAl_yOであり、０＜ｙ≦１であることができる。導電区域１３ｂと正面電極２１及び第二抵抗接触構造２２とが垂直方向に重なることにより、電流がエピタキシ構造１の一部分の場所で流れるようにする。図４Ｃは、本発明の他の実施例に係る半導体発光部品１Ｄを示す図である。この実施例において、第二抵抗接触構造２２は第二半導体積層１２の下表面１２ａ全面を覆う。第二抵抗接触構造２２は、横方向へ電流を拡散させること以外、第二抵抗接触構造２２と金属反射層３２を接合することができる。本実施例の第二抵抗接触構造２２、透明導電層３１及び金属反射層３２の材料として、第一実施例と同様な材料を採用することができる。

以上、これらの発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものであるため、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 半導体発光部品
１ エピタキシ構造
１Ｓ 側面
１０ 活性層
１１ 第一半導体積層
１１１ 第一電気制限層
１１２ 第一電気包装層
１１３ 第一電気窓口層
１１４ 第一電気接触層
１１ａ 上表面
１２ 第二半導体積層
１２１ 第二電気制限層
１２２ 第二電気包装層
１２３ 第二電気窓口層
１２４ 第二電気接触層
１２ａ 下表面
１３ 制御層
１３ａ 酸化区域
１３ｂ 導電区域
２１ 正面電極
２２ 第二抵抗接触構造
３ 反射積層
３１ 透明導電層
３２ 金属反射層
３３ 遮断層
４ 粘着層
５ 導電基板
６Ａ 透明電極
６Ｂ サブ基板
７１ 第一出射区域
７２ 第二出射区域
８ 辺縁
９ 背面電極
Ｓ 近接場光度分布

Claims (10)

1. 半導体発光部品であって、
   第一厚さを有するエピタキシ積層を含み、
   前記エピタキシ積層は、
   上表面を有し、かつ、第一電気包装層と第一電気接触層を含む第一半導体積層と、
   前記第一半導体積層の下に位置し、下表面と第二厚さを有し、かつ、第二電気包装層と第二電気接触層を含む第二半導体積層と、
   前記第一半導体積層と前記第二半導体積層との間に位置して光線を生成する活性層とを含み、
   前記半導体発光部品はさらに、
   前記上表面の中心位置に位置する正面電極と、
   前記下表面の中心位置に位置し、かつ、前記第二半導体積層と抵抗接触する抵抗接触構造と、
   前記抵抗接触構造の下に位置する背面電極と、
   前記抵抗接触構造と前記背面電極との間に位置し、かつ、前記第二半導体積層及び前記抵抗接触構造を覆う透明導電層と、
   前記透明導電層と前記背面電極との間に位置する金属反射層とを含み、
   前記上表面は４００μｍより小さい第一周長を有し、前記上表面の面積が１００００μｍ ^２ より小さく、前記抵抗接触構造と前記正面電極及び前記背面電極とが垂直方向に重なり、前記抵抗接触構造の面積は前記下表面の面積の１％～１０％を占め、かつ、前記透明導電層の屈折率が前記第二半導体積層の屈折率より小さい、半導体発光部品。
2. 前記第一厚さと前記第一周長の比は０．７５％以下であり、前記第一厚さは３μｍより小さい、請求項１に記載の半導体発光部品。
3. 前記透明導電層は前記金属反射層と前記第二半導体積層を隔離する、請求項１または２に記載の半導体発光部品。
4. 前記金属反射層上を覆う遮断層をさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体発光部品。
5. 前記上表面の前記正面電極に覆われていない部分は粗化表面であり、かつ、前記粗化表面上において隣接する頂部と谷部との間の垂直方向の距離は５００Å～３０００Åである、請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体発光部品。
6. 前記半導体発光部品はさらに制御層を含み、
   前記制御層は前記第一半導体積層または前記第二半導体積層の中に位置し、かつ、導電領域と前記導電領域を囲む電気絶縁領域を有し、上面視において、前記導電領域、前記正面電極、前記背面電極及び前記抵抗接触構造は前記半導体発光部品の中心位置において重なる、請求項１～５のいずれか一項に記載の半導体発光部品。
7. 前記透明導電層の幅は前記正面電極の幅より大きい、請求項１～６のいずれか一項に記載の半導体発光部品。
8. 前記第二厚さは１μｍ以下であり、前記第一電気接触層の厚さは２０００Å以下であり、かつ、前記第二電気接触層の厚さは２０００Å以下である、請求項１～７のいずれか一項に記載の半導体発光部品。
9. 前記エピタキシ積層の側面は粗い面または凸凹な表面である、請求項１～８のいずれか一項に記載の半導体発光部品。
10. 前記光線は前記上表面を透過し、
    前記上表面は、第一出射区域、第二出射区域及び最大近接場光度を有し、
    前記第一出射区域内の近接場光度は前記最大近接場光度の７０％～１００％の間にあり、前記第二出射区域内の近接場光度は前記最大近接場光度の０％～７０％の間にあり、前記第一出射区域の面積と前記第二出射区域の面積の比は０．２５～０．４５の間にある、請求項１～９のいずれか一項に記載の半導体発光部品。

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