JPH05129658A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

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JPH05129658A
JPH05129658A JP31397791A JP31397791A JPH05129658A JP H05129658 A JPH05129658 A JP H05129658A JP 31397791 A JP31397791 A JP 31397791A JP 31397791 A JP31397791 A JP 31397791A JP H05129658 A JPH05129658 A JP H05129658A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光の取出効率を向上させると共に電極間の抵
抗成分を低く抑える。 【構成】 ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体（ＡlXＧ
a1-XＮ；０≦Ｘ＜１）から成るｎ層４と、ｎ層４に接合
するｐ型不純物を添加した半絶縁性のｉ型の窒化ガリウ
ム系化合物半導体から成るｉ層５とを有する発光素子に
おいて、ｉ層５の表面に形成された透明導電膜から成る
第１の電極７と、ｉ層５の側からｎ層４に接続するよう
に形成された第２の電極８とから成りｉ層５の側から外
部に発光させるようにした。第１の電極に対してスポッ
トで電流を注入させても、第１の電極全体を均一の電位
とし、第１の電極の下方の全面から発光し、透明な第１
の電極の側から光が取り出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は青色や短波長領域発光の
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来技術】従来、青色や短波長領域発光の発光ダイオ
ードとしてＧaＮ系の化合物半導体（ＡlXＧa1-XＮ；０
≦Ｘ＜１）を用いたものが知られている。そのＧaＮ 系
の化合物半導体は直接遷移であることから発光効率が高
いこと、光の３原色の１つである青色を発光色とするこ
と等から注目されている。
【０００３】このようなＧaＮ 系の化合物半導体は、低
抵抗ｐ型結晶が得られていないため、これを用いた発光
ダイオードは金属電極（Metal）−半絶縁性のＧaＮ か
ら成るｉ層（Insurator)−ｎ型ＧaＮ から成るｎ層（Se
miconductor)の構造を持つ、いわゆるＭＩＳ型構造をと
る。発光はｉ層への電極（発光電極）の直下で見られ
る。すなわち、この電極形成部分がＭＩＳ構造を形成す
る。このようなＭＩＳ構造のＧaＮ 青色ＬＥＤにおいて
は、光を効率よく取り出すための素子構造および実装方
法の確立が不可欠となっている。
【０００４】ＡlXＧa1-XＡs などの他の３−５族化合物
半導体を用いたｐｎ接合型構造の発光素子においては、
素子内での接合面に平行な横方向への電流の拡散のため
に、接合面に垂直に且つ均一に電流が流れる。この結
果、ＭＩＳ型ＬＥＤのように電極直下部分のみが発光す
るのと異なり、電極の大きさに関係なく接合面全体が発
光する。接合面全体がほぼ均一に発光するため、光の取
り出しが容易である。
【０００５】しかし、ＭＩＳ型構造をとるＧaＮ 青色Ｌ
ＥＤは、発光電極直下のｉ層中では、接合面に平行な横
方向への電流拡散はほとんど起こらない。このため、発
光する部分は発光電極直下の領域に限られる。したがっ
て、通常電極は金属を用いるため、発光電極側からは、
発光は電極のかげになってほとんど見えない。
【０００６】そこで、従来のＧaＮ 青色ＬＥＤは、サフ
ァイア基板とＧaＮ とが発光に対して透明であることを
利用して、発光電極を下面にしてのフリップチップ方式
により、光を基板を通して裏面より取り出す方法をとっ
ている。すなわち、発光電極と、ｎ層と電気的に接続さ
れた電極（ｎ層側電極）とをＧaＮ エピタキシャル層表
面に形成し、これらの電極とリードフレームとをハンダ
によって接合することにより、基板を通して光を取り出
すことを可能にしたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フリッ
プチップ方式を用いた場合、発光電極（ｉ層電極）およ
びｎ層電極とリードフレームはハンダによって接合され
ているため、以下にあげる理由により、素子の電気的な
直列抵抗成分が大きくならざるを得ない。 １．発光電極（ｉ層電極）とｎ層電極とのハンダの短絡
を防ぐため電極間隔を余り狭くできず、電気的な抵抗成
分が大きくなってしまう。 ２．発光電極（ｉ層電極）とｎ層電極の形状が大きく異
なると、ハンダバンプ形成時においてハンダバンプの高
さも異なってしまうため、リードフレームとの接合不良
が起こり易くなる。
【０００８】したがって、両電極の面積は略同じ形状と
しなければならない。このため、電極パターンの自由度
がなくなり、電気的な抵抗成分を減少させるための最適
なパターンをとれなくなる。又、素子の電気的な直列抵
抗成分が大きいということは素子の発光効率を低下させ
るためばかりではなく、素子の発熱を誘因し、素子の劣
化や発光強度の低下を引き起こすことになり好ましくな
い。
【０００９】本発明は、発光素子において、光の取り出
し効率を向上させると共に電気的な抵抗成分を低く抑え
ることでさらに発光効率を向上させることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の発明の構成は、ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体
（ＡlXＧa1-XＮ；０≦Ｘ＜１）から成るｎ層と、前記ｎ
層に接合するｐ型不純物を添加した半絶縁性のｉ型の窒
化ガリウム系化合物半導体（ＡlXＧa1-XＮ；０≦Ｘ＜
１）から成るｉ層とを有する窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子において、ｉ層の表面に形成された透明導電
膜から成る第１の電極と、ｉ層の側からｎ層に接続する
ように形成された第２の電極とから成りｉ層の側から外
部に発光させることを特徴とする。
【００１１】
【作用】半絶縁性のｉ層に対して透明導電膜から成る第
１の電極を形成している。この第１の電極を介して光が
放射される。この第１の電極の面積が発光面積を規定し
ている。又、第１の電極は導電性を有するので、第１の
電極に対してスポットで電流を注入させても、第１の電
極全体を均一の電位とし、第１の電極の下方の全面から
発光する。
【００１２】
【発明の効果】上述のように、本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子は、第１の電極（発光電極）とし
て透明導電膜を用いており、透明導電膜が可視光に対し
て透明であることを利用しているので、発光電極側から
の光の取り出しが可能である。このため以下に例示する
種々の作用効果を奏する。
【００１３】１．電極を上面にして実装できるため、ハ
ンダを用いずに通常のワイヤボンディングによって接続
でき、第１の電極に対してスポット的にリード線を接続
しても、第１の電極の導電性により、平面方向にも電流
が拡散するので、第１の電極全体を均一電位とすること
ができる。よって、第１の電極に対するワイヤボンディ
ングパットは狭くできる。従って、第１の電極（発光電
極）と第２の電極（ｎ層電極）は、フォトリソグラフや
エッチング、リフトオフなど、素子作製のプロセスにお
いて短絡を防ぐために必要とされる間隔があれば良い。
即ち、従来のフリップチップ方式では、２つの電極間距
離は、２つの電極に対するハンダ間の短絡を防止するこ
とから、フォトリソグラフやエッチング技術の限界から
くる距離よりも遙に長い距離を必要とするので、第１の
電極の面積を広くできない。本発明では、この点、チッ
プ面積に対する第１の電極面積の占有率を向上させるこ
とができるので、発光効率を向上させることができる。
また、二つの電極間距離は、従来のフリップ方式よりも
かなり小さくでき、素子の電気的な抵抗成分を減少させ
ることができる。
【００１４】２．フリップチップ方式では第１の電極
（発光電極）と第２の電極（ｎ層電極）のパターンは同
じにする必要があったが、本発明では、２つの電極のパ
ターンの自由度が増し、素子の電気的な抵抗成分を減少
させる最適なパターンを設計することができる。
【００１５】３．第１の電極（発光電極）と第２の電極
（ｎ層電極）との間隔を小さくできること、および電極
のパターンの自由度が増えることにより、発光面積に対
するチップサイズの小型化、あるいは発光面積の拡大が
可能となり、経済的な素子作製を容易に行うことができ
る。
【００１６】４．ＡlＧaＡs 赤色ＬＥＤなど他の発光素
子と、同一のリードフレーム内でのハイブリッド化が可
能となることから、一つの素子で青や緑、赤などの多色
を表示するＬＥＤの実現が容易となる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図１は、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子を適用した発光ダイオードの構成を示す断面図
である。発光ダイオード１０はサファイア基板１を有し
ており、そのサファイア基板１上には 500ÅのＡｌＮの
バッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上
には、膜厚約 2.5μm のｎ型ＧaＮから成るｎ層４が形
成されている。さらに、ｎ層４の上に膜厚約 0.2μm の
半絶縁性ＧaＮ から成るｉ層５が形成されている。そし
てｉ層５の表面からｉ層５を貫通しｎ層４に達する凹部
２１が形成されている。この凹部２１を覆うようにｎ層
４に接続する金属製のｎ層４のための第２の電極８が形
成されている。この第２の電極８と離間してｉ層５上に
錫添加酸化インジウム（以下ＩＴＯと略す）から成る透
明導電膜のｉ層５のための第１の電極７が形成されてい
る。第１の電極７の隅の一部分には取出電極９が形成さ
れている。その取出電極９はＮi 層９ｂとＡu 層９ｃと
の２層で構成されている。又、第２の電極８はｎ層４に
接合するＡl 層８ａとＮi 層８ｂとＡu 層８ｃとの３層
で構成されている。この構造の発光ダイオード１０のサ
ファイア基板１の裏面にはＡl の反射膜１３が蒸着され
ている。
【００１８】次に、この構造の発光ダイオード１０は基
板４０に接合されており、基板４０に立設されたリード
ピン４１、４２と電気的に接続されている。即ち、第１
の電極７に接合した取出電極９のＡu 層９ｃとリードピ
ン４１とがＡu 線４３により接続されており、第２の電
極８のＡu 層８ｃとリードピン４２とがＡu 線４４によ
り接続されている。
【００１９】次に、この構造の発光ダイオードの製造方
法について、図３から図９を参照しながら説明する。上
記発光ダイオード１０は、有機金属化合物気相成長法(
以下、ＭＯＶＰＥと記す）による気相成長により製造さ
れた。用いられたガスは、ＮＨ3 とキャリヤガスＨ2 と
トリメチルガリウム（Ｇa(ＣＨ3)3)（以下、ＴＭＧと記
す）とトリメチルアルミニウム（Ａl(ＣＨ3)3)（以下、
ＴＭＡと記す）とシラン（ＳiＨ4）とジエチル亜鉛（以
下、ＤＥＺと記す）である。
【００２０】先ず、有機洗浄及び熱処理により洗浄した
ａ面を主面とする単結晶のサファイヤ基板１をＭＯＶＰ
Ｅ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次
に、常圧でＨ2 を流速２ l／分で反応室に流しながら温
度1200℃でサファイヤ基板１を10分間気相エッチングし
た。次に、温度を 400℃まで低下させて、Ｈ2 を20 l／
分、ＮＨ3 を10 l／分、ＴＭＡを 1.8×10-5モル／分で
供給して 500Åの厚さのＡlＮ から成るバッファ層２を
形成した。
【００２１】続いて、サファイヤ基板１の温度を1150℃
に保持し、Ｈ2 を20 l／分、ＮＨ3 を10 l／分、ＴＭＧ
を1.7 ×10-4モル／分の割合で30分間供給し、膜厚 2.5
μm、キャリヤ濃度 1×1015／cm3 のＧaＮ から成るｎ
層４を形成した。次に、サファイヤ基板１を 900℃にし
て、Ｈ2 を20 l／分、ＮＨ3 を10 l／分、ＴＭＧを 1.7
×10-4モル／分、ＤＥＺを 1.5×10-4モル／分の割合で
２分間供給して、膜厚 0.2μm のＧaＮ から成るｉ層５
を形成した。このようにして、図３に示すような多層構
造のＬＥＤウエハが得られた。
【００２２】次に、図４に示すように、ｉ層５の上面全
体にスパッタリングによりＳiＯ2層１１を、厚さが１μ
m となるように形成した。そして、そのＳiＯ2層１１の
上にフォトレジスト１２を塗布して、フォトリソグラフ
により、そのフォトレジスト１２の第２の電極８の形成
部が除かれるように、所定形状にパターン形成した。次
に、図５に示すようにそのフォトレジスト１２をマスク
として下層のＳiＯ2層１１の露出部をフッ酸系エッチン
グ液によりエッチングした。
【００２３】次に、図６に示すように、フォトレジスト
１２およびＳiＯ2層１１をマスクとして、真空度0.04To
rr、高周波電力0.44W/cm2 ,CCl2F2 ガスを10ml/ 分の割
合で供給し、反応性イオンエッチングによりｉ層５を貫
通しｎ層４に達する凹部２１を形成した。また、エッチ
ング後、続いてArでドランエッチングした。そして、フ
ォトレジスト１２およびＳiＯ2層１１をフッ酸で除去し
た。
【００２４】次に、試料の上全面全体に、イオンプレー
ティングにより透明導電膜のＩＴＯ層を約1000Åの厚さ
に形成した。そして、そのＩＴＯ層の上にフォトレジス
トを塗布した。フォトリソグラフにより、第１の電極７
の形成部分のフォトレジストが残るように、フォトレジ
ストを所定形状にパターン形成した。
【００２５】次に、残ったフォトレジストをマスクとし
て下層のＩＴＯ層の露出部をエッチングした。そして、
フォトレジストを除去した。これにより、図７に示すよ
うにエッチングで残ったＩＴＯ層から成る第１の電極７
が形成された。次に、試料の上全面全体に蒸着によりＡ
l 層を約2000Åの厚さに形成した。そのＡl 層の上にフ
ォトレジストを塗布して、フォトリソグラフにより、そ
のフォトレジストが、第２の電極８の形成部分が残るよ
うに、所定形状にパターン形成した。次に、そのフォト
レジストをマスクとして下層のＡl層の露出部をエッチ
ングし、フォトレジストを除去した。これにより、図８
に示すように、ｎ層４に接続する第２の電極８のＡl 層
８ａが形成された。
【００２６】次に、試料の上全面全体にフォトレジスト
を塗布し、フォトリソグラフにより、ＩＴＯから成る第
１の電極７の取出電極９の形成部分と第２の電極８の形
成部分とにおいて、塗布されたフォトレジストを除去し
た。その結果、図９に示すように、取出電極９の形成部
分と第２の電極８の形成部分以外の部分にフォトレジス
ト層３１が形成された。
【００２７】次に、図９に示すように、試料の上全面に
Ｎi層３２およびＡu層３３を蒸着により順次それぞれ約
500Å、約3000Åの厚さに形成した。次に、アセトンで
フォトレジスト３１を除去することで、そのフォトレジ
スト３１の直上に形成されたＮi層３２およびＡu層３３
を除去することで、第１の電極７に対する取出電極９の
Ｎi 層９ｂとＡu層９ｃと、第２の電極８のＮi 層８ｂ
とＡu 層８ｃとが形成された。
【００２８】次に、図１に示すように、サファイア基板
１の裏面全体に、Ａlを約2000Åの厚さに蒸着して、反
射膜１３が形成された。次に、以上のように製造された
ウエハをダイシングにより個々のチップに切断し、個々
に切断されたＬＥＤチップを図２に示すようにリードフ
レーム４０上に固定し、Ａu 線４３によりリードピン４
１と第１の電極７の取出電極９のＡu 層９ｃと接続し、
Ａu 線４２により第２の電極８のＡu 層８ｃと接続し
た。
【００２９】このようにして、図２に示す構造のMIS(Me
tal-Insulator-Semiconductor)構造の発光ダイオードを
製造することができた。第２の電極８に対して透明導電
膜の第１の電極７を正電位となるように電圧を印加する
ことにより、第１の電極７直下のｉ層５にて発光を得る
ことができた。そして、この発光は透明の第１の電極７
を介して直接取り出すことができ、又、サファイア基板
１の裏面に形成された反射膜１３による反射光も透明の
第１の電極７を介して取り出すことができた。
【００３０】この発光ダイオードは、第１の電極７に透
明導電膜を用いたので、第１の電極７の面積を大きくす
ることができた。よって、第１の電極７と第２の電極８
との間の直列抵抗を小さくすることができたので発熱が
抑制された。従って、電流−電圧特性において、電流１
０mA時の立ち上がり電圧が６Ｖであった。従来の構造の
発光ダイオード（第１の電極にアルミニウム電極を使用
したＬＥＤ）が電流１０mA時の立ち上がり電圧が８Ｖで
あるので、従来構造に比して約３／４となり、駆動電圧
を低下させることができた。
【００３１】次に、他の実施例について説明する。上記
実施例における発光ダイオード１０では、ｎ層４を１層
としているが、発光ダイオード１０ａを、図１０に示す
ように、ｉ層５に接合する厚さ1.5 μm の低キャリア濃
度ｎ層４ａと厚さ2.2 μm の高キャリア濃度ｎ+ 層３と
の２層とすることもできる。この発光ダイオード１０ａ
では高キャリア濃度ｎ+ 層３を電流が水平方向に流れる
ので、電極間の抵抗をより減少させることができる。高
キャリア濃度ｎ+ 層３は、サファイヤ基板１の温度を11
50℃に保持し、Ｈ2 を20 l／分、ＮＨ3 を10 l／分、Ｔ
ＭＧを 1.7×10-4モル／分、Ｈ2 で0.86ppm まで希釈し
たシラン（ＳiＨ4）を 200ml／分の割合で30分間供給す
ることで、膜厚 2.2μm 、キャリヤ濃度 1.5×1018／cm
3 に製膜できる。
【００３２】又、図１１に示すように、発光ダイオード
１０ｂを、チップの中央に透明導電膜から成る第１の電
極７を形成し、その周辺にｎ+ 層３に接続された第２の
電極８を形成することで製造しても良い。この時、第２
の電極８の最下層であるＡl層を反射膜とすることがで
きるので、発光効率を向上させることができる。
【００３３】このような発光ダイオード１０ｂは、図１
２、図１３に示す工程で製造することができる。図１２
の(a) に示すように、サファイヤ基板１上に、上述した
製造方法により、順次、ＡlＮから成るバッファ層２、
高キャリヤ濃度ｎ+ 層３、低キャリヤ濃度ｎ層４ａ、ｉ
層５を製造した。次に、図１２の(b) に示すように、図
１２の(a) の多層構造のウェーハに対して太い刃物（例
えば、 250μm 厚）を用いたダイシングによりｉ層５か
ら低キャリヤ濃度ｎ層４ａ、高キャリヤ濃度ｎ+層３、
バッファ層２、サファイヤ基板１の上面一部まで格子状
に所謂ハーフカットにて切り込みを入れた。
【００３４】次に、図７及び図８に示したのと同じ工程
により、ＩＴＯから成る第１の電極７と、第２の電極８
のＡl 層８ａを、図１３の(c) に示すように形成した。
さらに、図９に示す工程により、取出電極９のＮi 層９
ｂ、Ａu 層９ｃ及び第２の電極８のＮi 層８ｂ、Ａu 層
８ｃを形成した。
【００３５】次に、図１３(d) に示すように、細い刃物
（例えば、 150μm 厚）を用いたダイシングにより、格
子状に第２の電極８が形成されてた切り込みが入れられ
ている部分において、サファイヤ基板１を格子状に切断
した。このようにして、図１１に示す構造の発光ダイオ
ード１０ｂを製造することができる。
【００３６】一方、図１４に示すように、発光ダイオー
ド１０ｃをｉ層５の中央部にｎ+ 層３に至る小さい径の
穴を開けて、その穴に第２の電極８を形成し、その周辺
部に透明導電膜の第１の電極７を形成するようにしても
良い。上記の構造の発光ダイオード１０ｂ、１０ｃにお
いては、高キャリヤ濃度ｎ+ 層３に対する第２の電極８
は、ｉ層５に対する第１の電極７との位置関係の対象性
から、電極間を流れる電流を発光領域の部位に拘わらず
ほぼ同じとすることができる。従って、発光ダイオード
の青色の発光領域における発光ムラをなくすことができ
ると共に発光強度を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な一実施例に係る発光ダイオー
ドのチップの構造を示した断面図。
【図２】同実施例に係る発光ダイオードの取付け構造を
示した断面図。
【図３】同実施例に係る発光ダイオードの製造工程を示
した断面図。
【図４】同実施例に係る発光ダイオードの製造工程を示
した断面図。
【図５】同実施例に係る発光ダイオードの製造工程を示
した断面図。
【図６】同実施例に係る発光ダイオードの製造工程を示
した断面図。
【図７】同実施例に係る発光ダイオードの製造工程を示
した断面図。
【図８】同実施例に係る発光ダイオードの製造工程を示
した断面図。
【図９】同実施例に係る発光ダイオードの製造工程を示
した断面図。
【図１０】他の実施例に係る発光ダイオードの構成を示
した斜視図。
【図１１】他の実施例に係る発光ダイオードの構成を示
した斜視図。
【図１２】図１１に示す発光ダイオードの製造工程にお
けるウエハーの断面図。
【図１３】図１１に示す発光ダイオードの製造工程にお
けるウエハーの断面図。
【図１４】他の実施例に係る発光ダイオードの構造を示
した断面図。
【図１５】その実施例に係る発光ダイオードの平面図。
【符号の説明】
１−サファイヤ基板 ２−バッファ層 ３−高キャ
リヤ濃度ｎ+ 層 ４−ｎ層 ４ａ−低キャリヤ濃度ｎ層 ５−ｉ層 ７−第１の電極（透明導電膜による電極） ８−第２の
電極 １０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ−発光ダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小澤 隆弘 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体（Ａ
    lXＧa1-XＮ；０≦Ｘ＜１）から成るｎ層と、前記ｎ層に
    接合するｐ型不純物を添加した半絶縁性のｉ型の窒化ガ
    リウム系化合物半導体（ＡlXＧa1-XＮ；０≦Ｘ＜１）か
    ら成るｉ層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体発光
    素子において、 前記ｉ層の表面に形成された透明導電膜から成る第１の
    電極と、 前記ｉ層の側から前記ｎ層に接続するように形成された
    第２の電極とから成り前記ｉ層の側から外部に発光させ
    ることを特徴とする半導体発光素子。
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