JPH06296041A - 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Info
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- JPH06296041A JPH06296041A JP10766493A JP10766493A JPH06296041A JP H06296041 A JPH06296041 A JP H06296041A JP 10766493 A JP10766493 A JP 10766493A JP 10766493 A JP10766493 A JP 10766493A JP H06296041 A JPH06296041 A JP H06296041A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体に電流が均
一に流れるような電極を形成することにより、窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光層の発光を均一化させ発光素子
の発光効率を向上させる。 【構成】 ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に形成さ
れたｐ型電極と、そのｐ型窒化ガリウム系化合物半導体
層の上面からエッチングされて露出されたｎ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体層に形成されたｎ型電極とを具備す
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記
ｐ型電極は前記ｎ型電極との距離に比例して面積が大き
くなるように形成されている。
一に流れるような電極を形成することにより、窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光層の発光を均一化させ発光素子
の発光効率を向上させる。 【構成】 ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に形成さ
れたｐ型電極と、そのｐ型窒化ガリウム系化合物半導体
層の上面からエッチングされて露出されたｎ型窒化ガリ
ウム系化合物半導体層に形成されたｎ型電極とを具備す
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記
ｐ型電極は前記ｎ型電極との距離に比例して面積が大き
くなるように形成されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はサファイア基板上に一般
式ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X＜１、０≦Y＜１）で
表される窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に係り、特にその
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の電極に関する。
式ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X＜１、０≦Y＜１）で
表される窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に係り、特にその
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、青色レ
ーザーダイオード等に使用される実用的な半導体材料と
して、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウ
ム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡ
ｌＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡ
ｌＧａＮ）等の窒化ガリウム系化合物半導体が注目され
ている。
ーザーダイオード等に使用される実用的な半導体材料と
して、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウ
ム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡ
ｌＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡ
ｌＧａＮ）等の窒化ガリウム系化合物半導体が注目され
ている。
【０００３】例えばＧａＮを用いた従来のＬＥＤ素子の
構造について、図５および図６を用いて説明する。図５
は従来のＬＥＤ素子の構造を示す断面図、図６はこの素
子を電極側から見た平面図である。この素子は、基本的
にサファイアよりなる基板１の上に、ｎ型ＧａＮ層２
と、ｐ型ドーパントがドープされた高抵抗なｉ型ＧａＮ
層３’とが順に積層された構造を有し、ｎ型ＧａＮ層２
の電極２２と、ｉ型ＧａＮ層３’の電極３３’とに通電
することにより、ｉ型ＧａＮ層３’を発光させ、その発
光を、透光性基板であるサファイア基板１側から観測す
ることができる。特に図５に示すように、電極３３’を
ｉ型ＧａＮ層３’のほぼ全面に形成することにより、電
流を均一に広げ、ｉ型ＧａＮ層３’と電極３３’との接
触抵抗を下げて、順方向電圧を下げるようにしている。
このような発光素子の構造はＭＩＳ構造と呼ばれ、抵抗
率が１０6Ω・cm以上と非常に高抵抗なｉ型窒化ガリウム
系化合物半導体を発光層とするため、非常に発光効率が
悪く未だ実用化には至っていない。
構造について、図５および図６を用いて説明する。図５
は従来のＬＥＤ素子の構造を示す断面図、図６はこの素
子を電極側から見た平面図である。この素子は、基本的
にサファイアよりなる基板１の上に、ｎ型ＧａＮ層２
と、ｐ型ドーパントがドープされた高抵抗なｉ型ＧａＮ
層３’とが順に積層された構造を有し、ｎ型ＧａＮ層２
の電極２２と、ｉ型ＧａＮ層３’の電極３３’とに通電
することにより、ｉ型ＧａＮ層３’を発光させ、その発
光を、透光性基板であるサファイア基板１側から観測す
ることができる。特に図５に示すように、電極３３’を
ｉ型ＧａＮ層３’のほぼ全面に形成することにより、電
流を均一に広げ、ｉ型ＧａＮ層３’と電極３３’との接
触抵抗を下げて、順方向電圧を下げるようにしている。
このような発光素子の構造はＭＩＳ構造と呼ばれ、抵抗
率が１０6Ω・cm以上と非常に高抵抗なｉ型窒化ガリウム
系化合物半導体を発光層とするため、非常に発光効率が
悪く未だ実用化には至っていない。
【０００４】最近、ｉ層を低抵抗なｐ型として発光効率
を向上させたｐ−ｎ接合の発光素子を実現するための技
術として、例えば特開平３−２１８３２５号公報等でｉ
型窒化ガリウム系化合物半導体層に電子線照射する技術
が開示されている。また、我々は特願平３−３５７０４
６号でｉ型窒化ガリウム系化合物半導体層を４００℃以
上でアニーリングすることにより低抵抗なｐ型とする技
術を提案した。このようにｐ−ｎ接合型の窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子が実現可能となると、発光素子
の電極形状は発光出力を高める上で非常に重要な要素と
なってくる。特に、絶縁体であるサファイアを基板とす
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、他のＧａＡ
ｓ等の半導体基板を用いたを発光素子と異なり、基板側
から電極を取ることができないため、その電極形状は非
常に重要である。
を向上させたｐ−ｎ接合の発光素子を実現するための技
術として、例えば特開平３−２１８３２５号公報等でｉ
型窒化ガリウム系化合物半導体層に電子線照射する技術
が開示されている。また、我々は特願平３−３５７０４
６号でｉ型窒化ガリウム系化合物半導体層を４００℃以
上でアニーリングすることにより低抵抗なｐ型とする技
術を提案した。このようにｐ−ｎ接合型の窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子が実現可能となると、発光素子
の電極形状は発光出力を高める上で非常に重要な要素と
なってくる。特に、絶縁体であるサファイアを基板とす
る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、他のＧａＡ
ｓ等の半導体基板を用いたを発光素子と異なり、基板側
から電極を取ることができないため、その電極形状は非
常に重要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】我々は、ｐ−ｎ接合を
有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を試作し、
電流が均一に流れるよう、ｐ型層に従来の図５、図６に
示すような全面電極を形成したところ、以外にもｎ型層
に形成された電極に近いところに集中して電流が流れ、
ｐ型電極が形成された下の窒化ガリウム系化合物半導体
発光層全てが均一に発光していないことが判明した。従
って、本発明の目的は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導
体に電流が均一に流れるような電極を形成することによ
り、窒化ガリウム系化合物半導体発光層の発光を均一化
させることにあり、さらに発光を均一化させることによ
り、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光効率を
向上させることにある。
有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を試作し、
電流が均一に流れるよう、ｐ型層に従来の図５、図６に
示すような全面電極を形成したところ、以外にもｎ型層
に形成された電極に近いところに集中して電流が流れ、
ｐ型電極が形成された下の窒化ガリウム系化合物半導体
発光層全てが均一に発光していないことが判明した。従
って、本発明の目的は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導
体に電流が均一に流れるような電極を形成することによ
り、窒化ガリウム系化合物半導体発光層の発光を均一化
させることにあり、さらに発光を均一化させることによ
り、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光効率を
向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半
導体層に形成されたｐ型電極と、そのｐ型窒化ガリウム
系化合物半導体層の上面からエッチングされて露出され
たｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に形成されたｎ型
電極とを具備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ｐ型電極は前記ｎ型電極との距離に比例
して面積が大きくなるように形成されていることを特徴
とする。
化合物半導体発光素子は、ｐ型窒化ガリウム系化合物半
導体層に形成されたｐ型電極と、そのｐ型窒化ガリウム
系化合物半導体層の上面からエッチングされて露出され
たｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に形成されたｎ型
電極とを具備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ｐ型電極は前記ｎ型電極との距離に比例
して面積が大きくなるように形成されていることを特徴
とする。
【０００７】
【作用】本発明の一実施例に係る窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子を図１および図２に示す。図１は発光素
子を電極側からみた平面図、図２はその素子の構造を示
す模式断面図であり、サファイア基板１の上に、ｎ型Ｇ
ａＮ層２と、ｐ型ＧａＮ層３とが順に積層されたホモ構
造のＬＥＤ素子としており、ｎ型ＧａＮ層２にはｎ型電
極２２、ｐ型ＧａＮ層３には複数のｐ型電極３３が形成
されている。しかもｎ型電極２２とｐ型電極３３との距
離に比例して、ｐ型電極３３の面積を大きくしている。
このように、ｎ型電極２２と接近したｐ型電極３３の面
積を小さくすることにより、ｎ型電極２２とｐ型電極３
３との間の窒化ガリウム系化合物半導体の抵抗が接近
し、各電極の下にあるｐ型ＧａＮ層３を均一に発光させ
ることができる。
半導体発光素子を図１および図２に示す。図１は発光素
子を電極側からみた平面図、図２はその素子の構造を示
す模式断面図であり、サファイア基板１の上に、ｎ型Ｇ
ａＮ層２と、ｐ型ＧａＮ層３とが順に積層されたホモ構
造のＬＥＤ素子としており、ｎ型ＧａＮ層２にはｎ型電
極２２、ｐ型ＧａＮ層３には複数のｐ型電極３３が形成
されている。しかもｎ型電極２２とｐ型電極３３との距
離に比例して、ｐ型電極３３の面積を大きくしている。
このように、ｎ型電極２２と接近したｐ型電極３３の面
積を小さくすることにより、ｎ型電極２２とｐ型電極３
３との間の窒化ガリウム系化合物半導体の抵抗が接近
し、各電極の下にあるｐ型ＧａＮ層３を均一に発光させ
ることができる。
【０００８】図４を用いて詳しく説明すると、ｐ型電極
３３の面積をＳ、窒化ガリウム系化合物半導体の抵抗率
をρ、ｎ型電極２２とｐ型電極３３との距離をｌとする
と、ｐ型電極３３とｎ型電極２２との間の窒化ガリウム
系化合物半導体の抵抗ＲはＲ＝ρ・ｌ／Ｓで表すことが
できる。従って、ｎ型電極２２に最も近いｐ型電極３３
の面積をＳ1、その距離をｌ1、次のｐ型電極の面積をＳ
2、その距離をｌ1とした場合、Ｒを接近させる条件、最
も好ましくは一定となる条件、即ちｌ1／Ｓ1＝ｌ2／Ｓ2
＝ｌ3／Ｓ3＝・・・・＝ｌｎ／Ｓｎとなるように、ｐ型
電極３３の位置、面積を設定することにより、ｐ型Ｇａ
Ｎ層３を均一に発光させることができる。また、図３は
本発明の他の実施例に係る発光素子のｐ型窒化ガリウム
系化合物半導体層状に形成したｐ型電極の形状を示す平
面図であるが、このようにｎ型電極に近づくに従って、
幅を細くして面積を小さくしたｐ型電極を多数並べて
も、図１の発光素子と同一の効果が得られる。
３３の面積をＳ、窒化ガリウム系化合物半導体の抵抗率
をρ、ｎ型電極２２とｐ型電極３３との距離をｌとする
と、ｐ型電極３３とｎ型電極２２との間の窒化ガリウム
系化合物半導体の抵抗ＲはＲ＝ρ・ｌ／Ｓで表すことが
できる。従って、ｎ型電極２２に最も近いｐ型電極３３
の面積をＳ1、その距離をｌ1、次のｐ型電極の面積をＳ
2、その距離をｌ1とした場合、Ｒを接近させる条件、最
も好ましくは一定となる条件、即ちｌ1／Ｓ1＝ｌ2／Ｓ2
＝ｌ3／Ｓ3＝・・・・＝ｌｎ／Ｓｎとなるように、ｐ型
電極３３の位置、面積を設定することにより、ｐ型Ｇａ
Ｎ層３を均一に発光させることができる。また、図３は
本発明の他の実施例に係る発光素子のｐ型窒化ガリウム
系化合物半導体層状に形成したｐ型電極の形状を示す平
面図であるが、このようにｎ型電極に近づくに従って、
幅を細くして面積を小さくしたｐ型電極を多数並べて
も、図１の発光素子と同一の効果が得られる。
【０００９】高抵抗なｉ層を発光層とする従来の窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子は、図５に示すような全
面電極をｉ層に形成することにより、強制的に電流を拡
散させて、ｉ層を均一に発光させることができる。しか
し、ｐ−ｎ接合の発光素子はｉ層よりもはるかに低抵抗
なｐ型を用いｐ−ｎ接合で発光させているため、図５の
ような全面電極を形成すると、電流は抵抗の低いところ
を流れるので、ｎ型電極に近いところで発光してしま
う。ところが本願のように、ｎ型電極に近い箇所のｐ型
電極の面積を小さくすると、電極間抵抗がほぼ同一とな
り、電流が均一に流れるので窒化ガリウム系化合物半導
体発光層を均一に発光させることができる。
リウム系化合物半導体発光素子は、図５に示すような全
面電極をｉ層に形成することにより、強制的に電流を拡
散させて、ｉ層を均一に発光させることができる。しか
し、ｐ−ｎ接合の発光素子はｉ層よりもはるかに低抵抗
なｐ型を用いｐ−ｎ接合で発光させているため、図５の
ような全面電極を形成すると、電流は抵抗の低いところ
を流れるので、ｎ型電極に近いところで発光してしま
う。ところが本願のように、ｎ型電極に近い箇所のｐ型
電極の面積を小さくすると、電極間抵抗がほぼ同一とな
り、電流が均一に流れるので窒化ガリウム系化合物半導
体発光層を均一に発光させることができる。
【００１０】
［実施例１］ＭＯＣＶＤ法を用い、サファイア基板上に
ＧａＮバッファ層と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層と、Ｚｎ
ドープＩｎＧａＮ層と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を順に
成長させる。この構造において発光層はＺｎドープＩｎ
ＧａＮ層である。
ＧａＮバッファ層と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層と、Ｚｎ
ドープＩｎＧａＮ層と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層を順に
成長させる。この構造において発光層はＺｎドープＩｎ
ＧａＮ層である。
【００１１】次に最上層のＭｇドープｐ型ＧａＮ層の上
にフォトリソグラフィー技術を用いてマスクを形成した
後、エッチング装置でＭｇドープＧａＮ層と、Ｚｎドー
プＩｎＧａＮ層をエッチングし、ｎ型ＧａＮ層を露出さ
せる。
にフォトリソグラフィー技術を用いてマスクを形成した
後、エッチング装置でＭｇドープＧａＮ層と、Ｚｎドー
プＩｎＧａＮ層をエッチングし、ｎ型ＧａＮ層を露出さ
せる。
【００１２】マスクを除去し、同じくフォトリソグラフ
ィーにより図１に示すパターンをｐ型ＧａＮ層上に形成
した後、蒸着によりｎ型層およびｐ型層に電極を形成す
る。但し、ｐ型電極は複数形成し、各ｐ型電極面積は上
記のようにｌ1／Ｓ1＝ｌ2／Ｓ2＝ｌ3／Ｓ3＝・・・・＝
ｌｎ／Ｓｎの関係となるよう、ｎ型電極に近い方の面積
を小さくする。
ィーにより図１に示すパターンをｐ型ＧａＮ層上に形成
した後、蒸着によりｎ型層およびｐ型層に電極を形成す
る。但し、ｐ型電極は複数形成し、各ｐ型電極面積は上
記のようにｌ1／Ｓ1＝ｌ2／Ｓ2＝ｌ3／Ｓ3＝・・・・＝
ｌｎ／Ｓｎの関係となるよう、ｎ型電極に近い方の面積
を小さくする。
【００１３】電極形成後、各ｐ型電極を電気的に接続す
るため導電性材料で被覆した後、常法に従い、ウエハー
をチップ状にカットして、ＺｎドープＩｎＧａＮ層を発
光層とするダブルへテロ構造の本発明の青色発光ダイオ
ードを得た。この発光ダイオードを順方向電圧２０ｍＡ
で発光させたところ、サファイア基板側からＩｎＧａＮ
層が均一に発光していることが観測でき、発光出力は３
００μＷであった。
るため導電性材料で被覆した後、常法に従い、ウエハー
をチップ状にカットして、ＺｎドープＩｎＧａＮ層を発
光層とするダブルへテロ構造の本発明の青色発光ダイオ
ードを得た。この発光ダイオードを順方向電圧２０ｍＡ
で発光させたところ、サファイア基板側からＩｎＧａＮ
層が均一に発光していることが観測でき、発光出力は３
００μＷであった。
【００１４】［実施例２］ｐ型ＧａＮ層に形成する電極
パターンを図３に示すような形状とする他は実施例１と
同様にして本発明の青色発光ダイオードを得たところ、
同じくＩｎＧａＮ層が均一に発光していることが観測で
き、発光出力はほぼ同等であった。
パターンを図３に示すような形状とする他は実施例１と
同様にして本発明の青色発光ダイオードを得たところ、
同じくＩｎＧａＮ層が均一に発光していることが観測で
き、発光出力はほぼ同等であった。
【００１５】［比較例］ｐ型ＧａＮほぼ全面に電極を形
成し、実施例１と同じく発光させたところ、ｎ型電極に
近い箇所のみしか発光せず、発光出力も１００μＷでし
かなかった。
成し、実施例１と同じく発光させたところ、ｎ型電極に
近い箇所のみしか発光せず、発光出力も１００μＷでし
かなかった。
【００１６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光素子はｐ型電極がｎ型電極との
距離に比例して面積が大きくなるようにしているので、
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層中に均一に電流を流
すことができ、発光素子の発光層を均一に発光させるこ
とができ、しかも発光効率を向上させることができる。
ウム系化合物半導体発光素子はｐ型電極がｎ型電極との
距離に比例して面積が大きくなるようにしているので、
ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層中に均一に電流を流
すことができ、発光素子の発光層を均一に発光させるこ
とができ、しかも発光効率を向上させることができる。
【図１】 本発明の一実施例に係る発光素子を電極側か
らみた平面図
らみた平面図
【図２】 図１の発光素子の構造を示す模式断面図。
【図３】 本発明の他の実施例に係る発光素子を電極側
からみた平面図。
からみた平面図。
【図４】 ｐ型電極の距離と面積の関係を説明する平面
図。
図。
【図５】 従来のＬＥＤ素子を電極側からみた平面図。
【図６】 図５のＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
１・・・・サファイア基板 ２・・・・ｎ型ＧａＮ層 ３・・・・ｐ型ＧａＮ層 ２２・・・・ｎ型電極 ３３・・・・ｐ型電極
Claims (1)
- 【請求項１】 ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層に形
成されたｐ型電極と、そのｐ型窒化ガリウム系化合物半
導体層の上面からエッチングされて露出されたｎ型窒化
ガリウム系化合物半導体層に形成されたｎ型電極とを具
備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ｐ型電極は前記ｎ型電極との距離に比例して面積が
大きくなるように形成されていることを特徴とする窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子。
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