JPH10209495A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発光面側に設けられる電極による光の遮断を
極力抑制し、外部発光効率を向上させることができる半
導体発光素子を提供する。 【解決手段】 基板１と、該基板上に積層され第１およ
び第２導電形の半導体層（ｎ形層３、ｐ形層５）を含む
半導体積層部２〜５と、該半導体積層部の第１導電形の
半導体層に接続して設けられる第１の電極（ｐ側電極
８）と、前記半導体積層部の第２導電形の半導体層に接
続して設けられる第２の電極（ｎ側電極９）とからな
り、前記第１の電極が設けられる面から光を取り出す半
導体発光素子であって、前記第１の電極に空隙部８ａが
設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板上に積層される
半導体層の一方の導電形の半導体層に接続して電極が設
けられ、その電極が設けられる側の面を発光面とする半
導体発光素子に関する。さらに詳しくは、発光面側に設
けられる電極により発光する光が遮断されるのを極力抑
制することができる半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子は、基板上にｎ形層およ
びｐ形層が積層されて発光層を形成し、ｎ形層およびｐ
形層にそれぞれ接続される両電極に電圧が印加されるこ
とにより発光する。通常の赤色系や緑色系のＧａＡｓ系
やＧａＰ系の半導体が用いられる半導体発光素子は積層
された半導体層の表面側の半導体層と基板の裏面側にそ
れぞれ両電極が設けられる。そして一般的には積層され
た半導体層の表面側を発光面として表面側から放射され
る光が利用される。

【０００３】一方、青色系（紫外線から黄色）の発光素
子は、たとえばサファイアなどかららなる絶縁性基板上
にチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されて形成さ
れ、一般的には発光面側に両電極が形成される。この青
色系の半導体発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップとい
う）の基本構造は、たとえば図３に示されるような構造
になっている。すなわち、サファイア基板２１上にたと
えばｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層
（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがク
ラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧ
ａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味
する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層２４と、
ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とから
なり、その表面にＮｉ-Ａｕの合金層からなる電流拡散
層２７を介してｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層
された半導体層の一部がエッチングされて露出するｎ形
層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられる。

【０００４】このＬＥＤチップは、リードの端部または
回路基板などにダイボンディングされ、各電極２８、２
９とリードとの間に金線などをワイヤボンディングして
外部から電源の供給が行われる。また、前述の基板の裏
面側に一方の電極が設けられるＬＥＤチップも基板の裏
面側の電極はＬＥＤチップのダイボンディングと共に接
続されるが、表面側に設けられた他方の電極は、リード
との間に金線などがワイヤボンディングされる。そのた
め、これらの電極はワイヤボンディングに耐え、電気的
接触が充分に得られるような厚さの金属膜からなり、電
極が設けられた部分は光を透過させることができない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
半導体発光素子は、光を取り出す発光面側に少なくとも
一方の電極が設けられる場合が多く、この電極が設けら
れた部分は光を透過させることができない。そのため内
部で発光した光を効果的に取り出すことができず、光の
取出し面から得られる光の、入力に対する割合である外
部発光効率が低下するという問題がある。

【０００６】しかも、電極には前述のように、金線など
がワイヤボンディングされ、電極はワイヤボンディング
のボールの大きさだけあればよいのであるが、実際には
ワイヤボンディング時の位置ズレなどを考慮する必要が
ある。たとえばワイヤボンディングのボールの大きさ
が、直径で３０μｍφ程度であるのに対して電極の大き
さは５０μｍ角程度が必要であり、電極の面積はボール
の大きさの３倍以上の面積で形成され、無駄な面積で光
を遮断している。また、ボンディングの位置ズレのため
以外にも、抵抗の大きい半導体層にできるだけ電流を拡
散するために電極を大きめに形成する必要があり、電極
の面積が発光に寄与する半導体層の面積の１／３程度に
なる。

【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、発光面側に設けられる電極による光
の遮断を極力抑制し、外部発光効率を向上させることが
できる半導体発光素子を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
素子は、基板と、該基板上に積層され第１および第２導
電形の半導体層を含む半導体積層部と、該半導体積層部
の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第１の電
極と、前記半導体積層部の第２導電形の半導体層に接続
して設けられる第２の電極とからなり、前記第１の電極
が設けられる面から光を取り出す半導体発光素子であっ
て、前記第１の電極に空隙部が設けられている。この構
造にすることにより、電極はその面内に隙間を多く有
し、ワイヤボンディングがなされないで電極のみが露出
している部分は、その下の半導体層で発光する光を透過
させることができる。

【０００９】ここに電極に空隙部が設けられるとは、電
極部分の全面に電極金属が連続的に設けられるのではな
く、空隙部が網目状や、格子状や、リング状や、水玉状
などの形状で設けられ、電極金属が面内で間欠的に設け
られた状態を意味する。

【００１０】前記半導体積層部がチッ化ガリウム系化合
物半導体からなり、前記第１の電極が前記半導体積層部
の表面側に設けられる第１導電形の半導体層に接続して
設けられ、前記第２の電極が前記半導体積層部の一部が
除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して設
けられる場合には、半導体層の抵抗値が大きく発光効率
が低下し易い青色系の半導体発光素子の発光効率を向上
させることができるため好ましい。

【００１１】ここにチッ化ガリウム系化合物半導体層と
は、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物または
III 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族
元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部
がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からな
る半導体をいう。

【００１２】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の半導体発光素子について説明をする。図１には、た
とえば青色系の発光に適したチッ化ガリウム系化合物半
導体が積層された本発明の半導体発光素子の斜視説明図
が示されている。

【００１３】本発明の半導体発光素子は、たとえば図１
（ａ）に示されるように、サファイア（Ａｌ₂ Ｏ₃ 単結
晶）などからなる基板１の表面に発光層を形成する半導
体層２〜５が積層されて半導体積層部を形成し、その表
面側の第１導電形の半導体層ｐ形層５）に電流拡散層７
を介してｐ側電極（第１の電極）８が電気的に接続され
るように設けられている。また、積層された半導体層３
〜５の一部が除去されて露出する第２導電形の半導体層
（ｎ形層３）にｎ側電極（第２の電極）９が電気的に接
続されるように形成されている。本発明では、このｐ側
電極８がその面全面に連続的に設けられるのではなく、
たとえば図１（ｂ）に平面図で示されるような網目状の
空隙部８ａが設けられ、電極金属８ｂが間欠的に形成さ
れていることに特徴がある。

【００１４】このｐ側電極８は、たとえばＴｉ／Ａｕの
積層構造からなっており、それぞれがたとえば０.１〜
０.３μｍ程度、および０.３〜０.５μｍ程度の厚さに
設けられている。この網目状の空隙部８ａの幅Ａが１０
〜２０μｍ程度で、電極金属８ｂの幅Ｂが１０〜２０μ
ｍ程度に形成される。その結果、電極部の全体の面積に
対して、電極金属８ｂの存在する部分（図でハッチング
の付してある部分）の面積が６５〜７５％程度で、電極
金属の存在しない空隙部８ａの面積が２５〜３５％程度
となる。この電極金属８ｂ部分の面積は、この上にワイ
ヤボンディングされる金属との接着が充分に得られる程
度に設けられる必要があり、前述のように、ボンディン
グ部の面積の６５〜７５％程度設けられることが好まし
く、さらに好ましくは、７５〜８５％程度となるように
電極金属８ｂ部分が空隙部８ａを介して存在するように
設けられる。間欠的に設けられる電極金属８ｂの間に形
成される空隙部８ａは、半導体層で発光した光を透過さ
せるためのもので、その面積が大きいほど好ましいが、
前述のワイヤボンディングにより電極金属８ｂとの充分
な接着が得られるように、空隙部８ａの幅Ａが決定され
る。

【００１５】この網目状にｐ側電極８を形成するには、
たとえば電流拡散層７の全面にレジスト膜を設けて、ｐ
側電極８を形成する部分が網目状になるようにパターニ
ングする。その後、真空蒸着などにより、ＴｉおよびＡ
ｕの電極金属を蒸着し、レジスト膜を除去することによ
り、パターニングによりレジスト膜が除去されていた部
分のみに電極金属８ｂが付着し、それ以外の蒸着金属は
レジスト膜と共に除去され、ｐ側電極８が形成される。
電極金属を蒸着する前にパターニングをしたレジスト膜
を設けるリフトオフ法ではなく、全面に電極金属を蒸着
した後にレジスト膜を設けてパターニングをし、エッチ
ングをしても同様に形成することができる。なお、この
形状の電極の形成は、従来も電流拡散層上の一部に設け
られるため、同様のレジスト膜によるパターニングを行
っており、そのパターン形状を異ならせるだけで済み、
何等の工数増を伴うことなく行うことができる。

【００１６】電極金属８ｂが空隙部８ａを介して間欠的
に設けられるｐ側電極８の形状は、図１に示される網目
状でなくても、電極金属８ｂが設けられている部分と電
極金属が設けられていない空隙部８ａとが交互になるよ
うな形状であればとくに制約されない。たとえば図２
（ａ）〜（ｂ）に示されるように、空隙部８ａが格子状
になるように電極金属８ｂが設けられたり、空隙部８ａ
がリング状に設けられてもよい。また、空隙部もしくは
電極金属が水玉形状などの他の形状でもよい。要は、ワ
イヤボンディングされる金属が充分に接着されるよう
に、電極金属部分の間隙が広がり過ぎず、かつ、光を透
過させる空隙部の面積が適当に得られるように電極金属
が間欠的に設けられておればよい。

【００１７】積層される半導体層は、たとえばＧａＮか
らなる低温バッファ層２、クラッド層となるｎ形層３、
バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小
さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体から
なる活性層４、ｐ形のＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率
が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半
導体層５ａおよびＧａＮ層５ｂからなるｐ形層（クラッ
ド層）５が、それぞれ順次積層されることにより構成さ
れている。なお、この例ではｐ形層５はＡｌＧａＮ系化
合物半導体層５ａとＧａＮ層５ｂとの複層になっている
が、キャリアの閉じ込め効果の点からＡｌを含む層が設
けられることが好ましいためで、ＧａＮ層だけでもよ
い。また、ｎ形層３にもＡｌＧａＮ系化合物半導体層を
設けて複層にしてもよく、またこれらを他のチッ化ガリ
ウム系化合物半導体層で形成することもできる。さら
に、この例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟
持されるダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形
層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。

【００１８】積層された半導体層の表面には、Ｎｉおよ
びＡｕがそれぞれ蒸着されてシンターすることにより合
金化された２〜１００ｎｍ程度の電流拡散層７が形成さ
れている。この電流拡散層７はｐ形層５の全面に電流が
広がって流れるように拡散させると共に、活性層４で発
光した光を透過させるためのもので、薄く形成されてお
り、直接ワイヤボンディングなどをすることができず、
前述のようにワイヤボンディングをすることができる電
極８がこの上に設けられている。

【００１９】本発明の半導体発光素子によれば、光を取
り出す側の面である発光面に電極が形成されている場合
に、その電極が網目状、格子状またはリング状などの形
状で電極金属が間欠的に設けられている。そのため、ワ
イヤボンディングなどの金属との接着はブリッジ状の電
極金属により充分に得られると共に、電極の部分でワイ
ヤボンディングがされない部分では電極金属の空隙部か
ら光が放射される。その結果、従来ワイヤボンディング
によるボンディング部より広い面積で形成しざるを得な
い電極により光が完全に遮断されていたものが、ボンデ
ィングされていない電極部分からも光を放射することが
できて輝度の向上に寄与する。

【００２０】また、本発明によれば、発光面側に設けら
れる電極を通して光を放射することができるため、従来
の抵抗が大きく充分に電流を拡散させることができない
電流拡散層上に広い範囲に亘って設けることにより、電
流を充分に拡散させて発光効率を向上させることができ
る。

【００２１】前述の例では、ｐ側電極のみについて網目
状などの電極を設けたが、図１に示される例のように、
発光面側にｐ側およびｎ側の両電極が設けられる場合に
は、ｎ側電極についても同様の構造にすることにより、
発光効率が向上する。すなわち、図１に示される例で
は、ｎ側電極の下には発光層がなくｐ側電極ほど効果が
大きくないが、基板側で反射した光の一部はｎ側電極の
方からも放射されるため、同様の効果がある。

【００２２】また、前述の例では、積層される半導体層
がチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導
体発光素子であったが、チッ化ガリウム系化合物半導体
を用いた青色系の半導体発光素子は、その半導体層の抵
抗が大きく、できるだけ電極を大きくした方が電流の拡
散に寄与すると共に、赤色系の半導体発光素子より発光
効率が低く、少しでも発光効率を向上させることが望ま
れるため、とくに効果が大きい。しかし、ＧａＡｓ系や
ＧａＰ系などの半導体による赤色系や緑色系などの発光
素子でも、発光面側の電極が設けられる半導体発光素子
においては、その発光面側の電極に網目状などの電極を
用いることにより、発光効率を向上させることができ
る。

【００２３】さらに、前述の例では、空隙部を介して間
欠的に設けられる電極の外形が四角形状になっている
が、その形状には限定されず、円形など他の形状でもよ
い。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、発光面側に電極が設け
られている半導体発光素子において、その発光面側の外
部に取り出し得る光の発光効率を向上させることができ
る。その結果、発光効率の低いチッ化ガリウム系化合物
半導体を用いた半導体発光素子においても、発光効率を
向上させることができ、同じ大きさのチップに対して輝
度が向上する。また、同じ輝度の半導体発光素子を得る
ためにはそのチップの大きさを小さくすることができ、
１枚のウェハからのチップの取れ数が向上し、コストダ
ウンに寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の説明図
である。

【図２】図１のｐ側電極の形状の他の構造例の説明図で
ある。

【図３】従来の半導体発光素子のＬＥＤチップの一例の
斜視説明図である。

【符号の説明】

１ 基板 ３ ｎ形層 ５ ｐ形層 ８ ｐ側電極 ８ａ 空隙部 ９ ｎ側電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 園部 雅之 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内 (72)発明者 筒井 毅 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム株 式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上に積層され第１および
   第２導電形の半導体層を含む半導体積層部と、該半導体
   積層部の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第
   １の電極と、前記半導体積層部の第２導電形の半導体層
   に接続して設けられる第２の電極とからなり、前記第１
   の電極が設けられる面から光を取り出す半導体発光素子
   であって、前記第１の電極に空隙部が設けられてなる半
   導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記半導体積層部がチッ化ガリウム系化
   合物半導体からなり、前記第１の電極が前記半導体積層
   部の表面側に設けられる第１導電形の半導体層に接続し
   て設けられ、前記第２の電極が前記半導体積層部の一部
   が除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して
   設けられてなる請求項１記載の半導体発光素子。