WO2006025497A1

WO2006025497A1 - 半導体発光装置

Info

Publication number: WO2006025497A1
Application number: PCT/JP2005/016026
Authority: WO
Inventors: Yukio Shakuda; Toshio Nishida; Masayuki Sonobe
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2006-03-09
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Also published as: US20070284598A1; JP3904571B2; JP2006073815A

Abstract

　電灯や蛍光管などの代りに用いることができる半導体発光装置を１つの基板上に複数個の発光部を形成してモノリシックにより形成する場合において、配線の断線などが生じないで信頼性の高い半導体発光装置を提供する。　基板１上に発光層を形成するように積層された半導体積層部１７が複数個に電気的に分離されることにより、複数個の発光部１が形成され、この複数個の発光部１が、配線膜３によりそれぞれ直並列に接続されている。この複数個の発光部１をそれぞれ電気的に分離する構造が、半導体積層部１７に形成される分離溝１７ａおよびその分離溝１７ａ内に埋め込まれる絶縁膜２１により形成され、その分離溝１７ａは、分離溝１７ａを挟んだ半導体積層部１７の表面が実質的に同一面になる場所に形成され、その分離溝１７ａ上に絶縁膜２１を介して配線膜３が形成されている。

Description

明細書

半導体発光装置

技術分野

[0001] 本発明は基板上に複数個の発光部が形成され、直並列に接続されることにより、たとえば電圧が 100Vの商用交流電源で照明用の電灯や蛍光管の代りに使用し得るような半導体発光装置に関する。さらに詳しくは、半導体積層部の表面側に設けられる配線膜により複数個の発光部を接続しながら、各発光部を電気的に分離する分離溝による配線膜の断線が生じにくい構造にした半導体発光装置に関する。

背景技術

[0002] 近年、青色系発光ダイオード (LED)の出現により、ディスプレイの光源や信号装置の光源などに LEDが用いられ、さらに電灯や蛍光管の代りに LEDが用いられるようになってきている。この電灯や蛍光管に代って LEDを用いる場合、 100Vの交流駆動でそのまま動作することが好ましぐたとえば図 11に示されるように、 LEDを直並列に接続し、交流電源 71に接続する構成のものが知られている。なお、 Sはスィッチを示す (たとえば特許文献 1参照)。

[0003] 一方、このような LED部を直並列に接続した発光装置をモノリシックに集積ィ匕することも考えられている（たとえば特許文献 2参照)。この構造は、たとえば図 12に示されるように、サファイア基板 60上に i— GaN層 61、 n— GaNコンタクト層 62、 n— A1G aNクラッド層 63、 InGaN多重量子井戸からなる活性層 64、 p— AlGaNクラッド層 65 、 p— GaNコンタクト層 66が順次積層され、 n— GaNコンタクト層 62が露出するように半導体積層部の一部をエッチングすると共に、さらに隣接する LEDの境界部を i—G aN層 61に達するまでエッチングして溝 70を形成し、その溝 70内に SiO膜 67を形

2 成し、 p— GaNコンタクト層 66上に透明電極 68を形成し、 n— GaNコンタクト層 62と透明電極 68とを連結するように金属電極 69を設けることにより、形成されている。そして、この各電極を 1個おきに第 1の電源配線と第 2の電源配線に接続することにより交流電源 71に接続し、 1個ごと逆向きにして並列接続することが開示されている。特許文献 1 :特開平 10— 083701号公報（図 3) 特許文献 2：特開 2000— 101136号公報（図 6)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 前述のように、複数個の LEDを直並列に接続した発光装置をモノリシックにより形成するには、 1つの基板上に半導体層を積層した後に、各発光部を電気的に分離するため分離溝を形成し、その分離溝内に絶縁膜を埋め込んで各発光部を電気的に分離し、その上に金属電極を形成することにより、隣接する発光部が接続されている。この場合、基板としてサファイア基板が用いられていること、上部で配線膜により各発光部が接続されることなどの点から、半導体積層部の下層の導電形半導体層に接続する電極は、半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の半導体層に接続して形成されている。そのため、前述の分離溝も下層を露出させるエツチングに引き続き、境界部のみをさらにエッチングすることにより分離溝 70が形成されている。その結果、図 12に示されるように、分離溝を越えて接続される金属電極 69は、下層の n— GaNコンタクト層 62から、半導体積層部表面に設けられる透明電極 68まで、垂直な立上り部分を有している。

[0005] この半導体積層部の下層半導体層と上層半導体層との段差は、 0.4〜1 μ m程度であるが、配線膜の立上りが非常に急峻であること、配線膜の厚さは 0.2 m程度と非常に薄いこと、分離溝 70は 3〜6 mの深さがあり、絶縁膜が溝内に落ち込むため凹みやすいこと、などの理由により、ステップカバレッジが悪ぐ断線が生じる場合があるという問題がある。この問題は、発光部の数力多くなるほど深刻な問題であり、とくに発光部を直列に何個も接続する場合には、そのうちの 1箇所に断線が生じると、その直列部分に接続された全ての発光部が使用不可となるため、非常に深刻な問題となる。

[0006] 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、電灯や蛍光管などの代りに用いることができる半導体発光装置を 1つの基板上に複数個の発光部を形成してモノリシックにより形成する場合にぉ、て、配線の断線などが生じな、で信頼性の高ヽ半導体発光装置を提供することを目的とする。

[0007] 本発明の他の目的は、配線の信頼性を向上させながら、配線スペースや付属部品配置のスペースを確保することができる構造の半導体発光装置を提供することにある

[0008] 本発明のさらに他の目的は、交流駆動で、発光しない時間があっても、チラツキを防止し、さらには所望の発光色にしたり、スィッチをオフにしても残光を利用することができる構造の半導体発光装置を提供することにある。

[0009] 本発明のさらに他の目的は、複数個の発光部の一部に短絡などの不良が発生しても、残部で照明装置として動作し得る構造の半導体発光装置を提供することにある。

[0010] 本発明のさらに他の目的は、複数個の発光部が直並列に接続されながら、サージなどが入力しても破壊しにくい構造の半導体発光装置を提供することにある。

[0011] 本発明のさらに他の目的は、発光した光の発射面側に直並列接続をする配線膜が形成される場合でも、電極や配線による遮光をできるだけ排除し、光取り出し効率（外部量子効率)の優れた半導体発光装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明による半導体発光装置は、基板と、該基板上に発光層を形成するように半導体層を積層して半導体積層部が形成され、該半導体積層部が複数個に電気的に分離されると共に、それぞれに一対の導電形層への電気的接続部が設けられる複数個の発光部と、前記複数個の発光部を、それぞれ直列および Zまたは並列に接続するために前記電気的接続部に接続される配線膜とを有し、前記複数個の発光部を形成するための電気的分離が、前記半導体積層部に形成される分離溝および該分離溝内に埋め込まれる絶縁膜により形成され、該分離溝は、該分離溝を挟んだ半導体積層部の表面が実質的に同一面になる場所に形成され、該分離溝上に前記絶縁膜を介して前記配線膜が形成されて、る。

[0013] ここに実質的に同一面とは、完全な同一面であることを意味するものではなぐ配線膜を形成する際に段差によるステップカバレッジの問題が生じない程度の段差以下であることを意味し、具体的には、両面の差が 0.3 m程度以下であることを意味する。また、電気的接続部とは、半導体層とォーミックコンタクトが得られるように設けられた金属電極や透光性導電層などを意味し、配線膜と電気的に接続し得るように発光部に形成された接続部を意味する。 [0014] 具体的には、前記各発光部の前記一対の導電形層への電気的接続部が、前記半導体積層部の上層側の第 1導電形半導体層に電気的に接続して設けられる上部電極と、前記半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の第 2導電形半導体層に電気的に接続して設けられる下部電極とからなり、前記分離溝を挟んだ前記半導体積層部の表面が、共に前記上層側の半導体層〖こなるように形成されて!、る。前記下部電極の厚さが、前記上部電極の厚さより厚くなるように形成されることがより好ましい。

[0015] また、前記各発光部の前記一対の導電形層への電気的接続部が、前記半導体積層部の上層側の第 1導電形半導体層に電気的に接続して設けられる上部電極と、前記半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の第 2導電形半導体層に電気的に接続して設けられる下部電極とからなり、前記分離溝を挟んだ前記半導体積層部の表面が、共に前記下部電極が設けられる下層半導体層になるように形成され、前記下部電極が設けられる第 1の発光部と、前記分離溝を介して該下部電極と前記配線膜により接続される上部電極が設けられる第 2の発光部との間にダミー領域が設けられ、該ダミー領域に前記下層半導体層から前記上層半導体層に至る傾斜面が形成され、該傾斜面上を経て前記下部電極と上部電極とを接続する前記配線膜が形成される構造にすることもできる。

[0016] 前記ダミー領域の前記分離溝と反対側で、前記半導体積層部の表面が実質的に同一面となる部分に第 2の分離溝が形成され、該第 2の分離溝内に絶縁膜が充填されることにより、第 1の発光部と第 2の発光部とが分離溝形成の精度により完全に電気的に分離できていない場合でも、第 2の分離溝により電気的に分離することができるため、信頼性が向上して好ましい。

[0017] 前記半導体積層部が窒化物半導体力なり、該半導体積層部の少なくとも発光面側に、前記発光層で発光する光の波長を変換する発光色変換部材が設けられることにより、白色光を発光するように形成される。

[0018] 前記複数個の発光部が、前記一対の導電形層への電気的接続部が相互に反対になるように並列接続された 1組が直列に接続されることにより、商用の交流電源で駆動し得るように接続されることにより、交流 100V電源などの商用電源に接続して使用することができる。

[0019] 前記複数の発光部の光発射面側に残光時間が 10ミリ秒から 1秒以内の蛍光材料力 S設けられることにより、交流駆動で半波ごとに発光部がオンオフすることによる点滅が繰り返されても、オフにした後発光時間が十ミリ秒程度以上続くため、オンオフによるチラツキが意識されることがなぐ安定した照明装置にすることができる。さらに、発光部で発光する発光波長を所望の発光波長の光に変更する蛍光材料を用いることにより、青色発光または紫外光などの 1色の LEDにより、白色光など所望の発光色にすることができる。

[0020] 前記複数の発光部の光発射面側に残光時間が 1秒以上の蓄光材料が設けられることにより、発光部への印加電源がオフにされた後でも、発光を続けることができ、停電時の非常用照明として機能する。

[0021] 前記半導体積層部が透光性の基板上に形成され、該基板の裏面が前記発光層で発光する光の取出し面とされ、該基板の裏面に前記発光色変換部材、窒化物半導体からなり、該半導体積層部の少なくとも発光面側に、前記発光層で発光する光の波長を変換する発光色変換部材、残光時間が 10ミリ秒から 1秒以内の蛍光材料および残光時間が 1秒以上の蓄光材料の少なくとも一つが設けられる構造にすることができる。

[0022] 前記直列に接続される発光部の群れごとに、ヒューズ素子が直列に接続されていることにより、該直列に接続される複数の発光部の群れが並列に複数接続されている場合、他の発光部の群れを異常なく動作させることができるため好ま、。

[0023] 前記直列および Zまたは並列に接続された複数の発光部の外部電源と接続される電極パッド間にサージを吸収するキャパシタが並列に接続されて形成されていることにより、サージが印加しても発光部を保護することができるため好ましい。

[0024] 前記直列および Zまたは並列に接続された複数の発光部の外部電源と接続される電極パッド間にサージを吸収するインダクタが直列に接続されていることによつても、サージが印カロした場合に発光部を保護することができる。なお、このインダクタは、各発光部間に形成することもできるし、各発光部が渦巻きになるように形成することもできる。 [0025] 前記配線膜のうち、少なくとも前記上部電極と接続される導電形の半導体層の表面上に形成される部分は、透光性導電膜により形成されることが、配線の直列抵抗をそれ程増大させることなく、光を有効に取り出すことができるため好ま U、。

発明の効果

[0026] 本発明によれば、半導体積層部を複数の発光部に分割して、配線膜により各発光部間を直列や並列に接続することにより、たとえば 100Vの AC駆動をし得るようなモノリシック構造の半導体発光装置を形成する場合に、各発光部間を分離する分離溝力分離溝を挟んだ両側の半導体層が実質的に同一面になるような場所に形成されているため、その分離溝に起因する段差による配線膜の断線の問題や、断線しなくても膜厚が薄くなるという信頼性の問題を解消することができる。

[0027] すなわち、このような発光部間を直列または並列に接続する配線膜は、下層の半導体層に接続される電気的接続部 (半導体層と直接または他の導電層を介してォーミックコンタクトし、配線膜と電気的に接続される部分を意味し、以下、単に電極ともいう）は低い位置にあり、上層の半導体層に接続される電極は高い位置にあり、その両電極を接続するには、段差が生じる。しかも、隣接する発光部間を電気的に分離するため、分離溝が形成されるが、分離溝は、下層の半導体層を露出させた表面力ゝら境界部に形成するのが効率的であるため、通常は分離溝の部分に大きな段差が形成されると共に、半導体積層部の表面力見ると分離溝と下層の露出部とが連続して広ヽ幅でエッチングされ、絶縁膜を形成しても半導体積層部の表面との段差はなくならない。そのため、配線膜もその分離溝を跨ぎながら段差に沿って形成され、段差の角部で配線膜が薄くなつて断線しやすいという問題を有している。し力しながら、本発明では、その分離溝が、半導体層表面が実質的に同一な面になる部分に形成されているため、その分離溝の幅をたとえば 1 μ m程度と電気的絶縁が得られる程度の非常に狭い溝にすることにより、絶縁膜を形成する際に分離溝の少なくとも表面側は多少の凹みが生じても殆ど埋まる。その結果、その上に形成される配線膜は、分離溝を跨いで形成される部分でも、段差は殆どなぐステップカバレッジの問題で配線膜の断線や肉厚が薄くなるという問題が発生することはない。

[0028] この場合、一対の電極の間には高さの差があるが、たとえば下部電極の厚さを厚く形成したり、半導体積層部の一部にダミー領域を形成し、そのダミー領域で傾斜面を形成することにより、段差部分に配線を形成する必要がなくなり、ステップカバレッジの問題による断線は生じない。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明による半導体発光装置の一実施形態の断面説明図である。

[図 2]本発明による半導体発光装置の他の実施形態を示す断面説明図である。

[図 3]本発明による半導体発光装置の発光部の配置例を示す図である。

[図 4]図 3の等価回路図を示す図である。

[図 5]本発明による半導体発光装置の応用例を示す図である。

[図 6]本発明による半導体発光装置の他の応用例を示す図である。

[図 7]本発明による半導体発光装置のさらに他の応用例を示す図である。

[図 8]本発明による半導体発光装置のさらに他の応用例を示す図である。

[図 9]本発明による半導体発光装置のさらに他の応用例を示す図である。

[図 10]本発明による半導体発光装置のさらに他の応用例を示す図である。

[図 11]LEDを用いて照明装置を形成する従来の回路例を示す図である。

[図 12]LEDを用いて照明装置を形成する従来の構造例を示す図である。

符号の説明

1 発光部

3 配線膜

4 電極パッド

5 ダミー領域

6 蛍光体膜

7 蓄光ガラス膜

8 ヒューズ素子

9 キャパシタ

10 インダクタ

11 基板

13 高温バッファ層 14 II形層

15 活性層

16 p形層

17 半導体積層部

17a 分離溝

18 透光性導電層

19 p側電極（上部電極）

20 n側電極（下部電極）

21 絶縁膜

発明を実施するための最良の形態

[0031] つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光装置について説明をする。本発明による半導体発光装置は、図 1にその一実施形態の断面説明図が示されるように、基板 1上に発光層を形成するように半導体層を積層して半導体積層部 17が形成され、その半導体積層部 17が複数個に電気的に分離されると共に、それぞれに一対の導電形層への電気的接続部（電極 19、 20)が設けられることにより複数個の発光部 1が形成され、この複数個の発光部 1が、配線膜 3によりそれぞれ直列および Zまたは並列に接続されている。本発明では、この複数個の発光部 1をそれぞれ電気的に分離する構造が、半導体積層部 17に形成される分離溝 17aおよびその分離溝 17 a内に埋め込まれる絶縁膜 21により形成され、その分離溝 17aは、分離溝 17aを挟んだ半導体積層部 17の表面が実質的に同一面になる場所に形成され、その分離溝 1 7a上に絶縁膜 21を介して配線膜 3が形成されていることに特徴がある。

[0032] 図 1に示される例では、青色発光の発光部 1 (以下、単に LEDともいう）が窒化物半導体の積層により形成され、その表面に図示しない、たとえば YAG (イットリウム'ァルミ-ゥム 'ガーネット)蛍光体や Sr-Zn-La蛍光体など力なる発光色変換部材が設けられることにより、白色光を発光する発光装置として形成されている。そのため、半導体層積層部は、窒化物半導体層の積層により形成されている。しかし、赤、緑、青の 3原色の発光部を形成して白色光になるようにすることもできるし、必ずしも白色光にする必要はなく、所望の発光色の発光部に形成することができる。 [0033] ここに窒化物半導体とは、 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の一部または全部が Al、 Inなどの他の III族元素と置換したものおよび Z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（窒化物）からなる半導体をいう。

[0034] 基板 11としては、窒化物半導体を積層するには、サファイア (Al O 単結晶）または

2 3

SiCのような半導体が用いられる力図 1に示される例では、サファイア (Al O 単結

2 3 晶）が用いられている。しかし、基板は積層される半導体層に応じて格子定数ゃ熱膨張係数などの観点力選ばれる。

[0035] サファイア基板 11上に積層される半導体積層部 17は、たとえば GaN力もなる低温ノッファ層 12力 SO.005~0.l zz m程度、ついでアンドープの GaNからなる高温バッファ層 13が 1〜3 μ m程度、その上に Siをドープした n形 GaNからなるコンタクト層および n形 AlGaN系化合物半導体層力もなる障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）などにより形成される n形層 14が 1〜5 μ m程度、バンドギャップエネルギーが障壁層のそれよりも小さくなる材料、たとえば l〜3nmの In Ga Nからなるゥエル

0.13 0.87

層と 10〜20nmの GaNからなるバリア層とが 3〜8ペア積層される多重量子井戸（M QW)構造の活性層 15が 0.05〜0.3 μ m程度、 p形の AlGaN系化合物半導体層からなる P形障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）と p形 GaNからなるコンタクト層とによる p形層 16が合せて 0.2〜1 μ m程度、それぞれ順次積層されることにより形成されている。

[0036] 図 1に示される例では、アンドープで、半絶縁性の GaN力なる高温バッファ層 13 が形成されている。基板がサファイアのような絶縁性基板力もなる場合には、必ずしも半絶縁になって!/ヽなくても基板まで後述する分離溝を形成すれば支障はな!ヽが、ァンドープにした方が積層する半導体層の結晶性が良くなるため、さらには、半絶縁性半導体層が設けられていることにより、各発光部に電気的分離する際に、基板表面までを完全にエッチングしなくても、電気的に分離することができるため好ましい。基板 11が SiCのような半導体基板力もなる場合には、隣接する発光部間を電気的に分離させるため、アンド一プで半絶縁性の高温バッファ層 13が形成されることが各発光部を独立させるために必要となる。 [0037] また、 n形層 14および p形層 16は、障壁層とコンタクト層の 2種類で構成する例であつた力キャリアの閉じ込め効果の点から活性層 6側に A1を含む層が設けられることが好ましいものの、 GaN層だけでもよい。また、これらを他の窒化物半導体層で形成することもできるし、他の半導体層がさらに介在されてもよい。さらに、この例では、 n 形層 14と p形層 16とで活性層 15が挟持されたダブルへ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。また、活性層 15上に直接 p 形 AlGaN系化合物層を成長した力数 nm程度のアンドープ AlGaN系化合物層を成長することにより、活性層 15の下側にピット発生層を形成して活性層 15にできたピットを埋め込みながら、 p形層と n形層との接触によるリークを防止することもできる。

[0038] 半導体積層部 17上には、たとえば ZnOなど力もなり、 p形半導体層 16とォーミックコンタクトをとることができる透光性導電層 18が 0.01〜0.5 m程度設けられている。この透光性導電層 18は、 ZnOに限定されるものではなぐ ITOや Niと Auとの 2〜10 Onm程度の薄い合金層でも、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができる。この半導体積層部 17の一部がエッチングにより除去されて n形層 14が露出され、さらにその n形層 14の露出部の近傍で間隔 dだけ離間してエッチングにより分離溝 17aが形成されている。この離間する部分は発光領域 (長さ L1の部分)としては寄与せずダミー領域 5となり、後述するように熱放散部、配線などの形成スペースなどとすることができ、目的に応じて間隔 dは 1〜50 μ m程度の範囲内で設定される。この分離溝 17aは、ドライエッチングなどにより形成されるが、電気的に分離できる範囲で、できるだけ狭い幅 wで形成され、 0.6〜5 μ m程度、たとえば 1 μ m程度 (深さは 5 μ m程度）に形成される。

[0039] そして、透光性導電層 18上の一部に、 Tiと Auとの積層構造により、 p側電極 (上部電極） 19が形成され、半導体積層部 17の一部がエッチングにより除去されて露出する n形層 14にォーミックコンタクト用の n側電極（下部電極） 20が、 Ti-Al合金などにより形成されている。図 1に示される例では、この下部電極 20力 0.4〜0.6 m程度の厚さに形成され、上部電極 19とほぼ同程度の高さになるように形成されている。しかし、上部電極 19とほぼ同じ高さにならなくても、配線膜 3は真空蒸着などにより下部電極 20上に堆積されるため、それ程段差は形成されず、通常の高さのままでもよい。しかし、下部電極 20の厚さが上部電極 19の厚さより厚く形成されれば配線膜の信頼性が向上し、上部電極 19と同程度の高さになればより好ましい。なお、この例では、透光性導電層 18と p側電極 19の両方力 ¾形層 16への電気的接続部になって、るが、後述するように、配線膜 3の材料によっては、透光性導電層 18のみで電気的接続部とすることができる。 n形層 14への電気的接続部は n側電極 20になる。

[0040] そして、この上部電極 19および下部電極 20の表面が露出するように半導体積層部 17の露出する表面および分離溝 17a内に、たとえば SiOなど力もなる絶縁膜 21が

2

設けられている。その結果、分離溝 17aで区切られた発光部 1が基板 11上に複数個形成されている。その絶縁膜 21の表面で、 1個の発光部 laの n側電極 20とその発光部 laと隣接する発光部 lbの p側電極 19とが配線膜 3により接続されている。この配線膜 3は、 Auまたは A1などの金属膜を真空蒸着またはスパッタリングなどにより 0.3 〜： m程度の厚さに形成されている。この配線膜 3は、各発光部 1が直列または並列の所望の接続になるように形成される。

[0041] たとえば、図 1に示されるように、分離溝 17aで分離された 1つの発光部 laの n側電極 20と隣接する発光部 lbの p側電極 19とを順次接続していけば、直列に接続することができ、 1個当り 3.5〜5Vの動作電圧の合計が 100V近く（厳密には抵抗やキャパシタを直列に接続することにより調整できる）になるまで接続して、その組を並列に、し力も pnの接続方向が逆方向になるように並列に接続することにより、商用の交流電源である、たとえば 100Vの AC駆動をする明るい光源にすることができる。また、図 3 に発光部 1の配置例の一部が示されるように、 pn関係が逆方向に並列接続された 2 個 1組の発光部を直列に接続して、合計の動作電圧が 100Vに近くなるまで直列接続しもよい。このような配置の等価回路図は図 4に示されるようになる。なお、この接続で明るさが充分ではない場合には、さらにこれらの組を並列に形成して接続することもできる。図 3に示されるように、 2個の発光部を逆並列に接続して 1組としたものをさらに直列に接続する場合、縦方向ではなぐ横方向に隣接する発光部 1間で n側電極 20と p側電極 19とを配線膜 3により接続する必要があり、配線膜 3の形成場所が発光部 1間に必要となる。このスペースとして、前述のダミー領域 5を必要な幅で形成することがでさる。 [0042] つぎに、図 1に示される構造の半導体発光装置の製法について説明をする。有機金属化学気相成長法 (MOCVD法）により、キャリアガスの Hと共にトリメチリガリウム

2

(TMG)、アンモニア（NH )、トリメチルアルミニウム（TMA)、トリメチルインジウム（T

3

MIn)などの反応ガスおよび n形にする場合のドーパントガスとしての SiH 、 p形にす

4 る場合のドーパントガスとしてのシクロペンタジェニルマグネシウム（Cp Mg)または

2

ジメチル亜鉛 (DMZn)などの必要なガスを供給して順次成長する。

[0043] まず、たとえばサファイア力もなる基板 11上に、たとえば 400〜600°C程度の低温で、 GaN層力なる低温バッファ層 12を 0.005〜0.1 μ m程度成膜した後、温度を 6 00〜1200°C程度の高温に上げて、アンドープの GaNからなる半絶縁性の高温バッファ層 13を 1〜3 μ m程度、 Siをドープした n形 GaNおよび AlGaN系化合物半導体力らなる n形層 14を 1〜5 μ m程度成膜する。

[0044] つぎに、成長温度を 400〜600°Cの低温に下げて、たとえば l〜3nmの In Ga

0.13 0.87

Nからなるゥエル層と 10〜20nmの GaNからなるノリア層とが 3〜8ペア積層される多重量子井戸（MQW)構造の活性層 6を 0.05〜0.3 μ m程度成膜する。

[0045] ついで、成長装置内の温度を 600〜1200°C程度に上げ、 p形の AlGaN系化合物半導体層および GaN力もなる p形層 16を合せて 0.2〜1 μ m程度積層する。

[0046] その後、表面に Si Nなどの保護膜を設けて p形ドーパントの活性ィ匕のため、 400〜

3 4

800°C程度で 10〜60分程度のァニールを行い、たとえば ZnO層を MBE、スパッタ、真空蒸着、 PLD、イオンプレーティングなどの方法により 0.1〜0.5 m程度成膜することにより透光性導電層 18を形成する。ついで、 n側電極 20を形成するため、 n形層 14が露出するように、積層された半導体積層部 17の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングする。さらに引き続き、 n形層 14を露出させた近傍で、発光部 1間を電気的に分離するため、 n形層 14の露出部と離間して半導体積層部 17を 1 μ m程度の幅 wで、同様にドライエッチングにより半導体積層部 17の高温バッファ層 13に至るまでエッチングする。 n形層 14の露出部と分離溝 17aとの間隔 dは、たとえば 1 μ m程度になるように形成される。

[0047] つぎに、露出した n形層 14の表面に Tiと A1を、それぞれ 0.1 μ m程度と、 0.3 μ m 程度、スパッタリングまたは真空蒸着により連続して付着し、 RTA加熱により 600°C 程度で 5秒間の熱処理をすることにより合金化して、 n側電極 20を形成する。なお、 n 側電極はリフトオフ法により形成すれば、マスクを除去することにより所定の形状の n 側電極を形成することができる。その後、 p側電極 19のために透光性導電層 18上に Tiと Auをそれぞれ 0.1 mと 0.3 μ m程度づっ真空蒸着することにより、 p側電極 19 を形成する。その後、全面に SiOなどの絶縁膜 21を形成し、 p側電極 19および n側

2

電極 20の表面が露出するように絶縁膜 21の一部をエッチング除去する。そして、露出する P側電極 19および n側電極 20を接続する部分のみ開口したレジスト膜を設けて Au膜または A1膜などを真空蒸着などにより設けてカゝらレジスト膜を除去するリフトオフ法などにより所望の配線膜 3を形成し、複数個の発光部 1からなる発光部群ごとにウエノ、からチップィ匕することにより、図 3に示される半導体発光装置のチップが得られる。なお、配線膜 3を形成する際に、図 3に示されるように、配線膜 3と同じ材料で同時に外部と接続用の電極パッド 4を形成する。

[0048] 図 1に示される例によれば、 n側電極 20を形成するための n形層 14の露出部と、発光部 1間を分離するための分離溝 17aとが、近傍であっても (目的に応じてダミー領域 5の幅を広くすることができる)別の部分に形成されており、さらに n側電極 20が高く形成されてヽるため、隣接する発光部 1間の n側電極 20と p側電極 19とを接続する配線膜 3は、分離溝 17aを介して形成されていても、大きな段差を経て接続する必要がない。すなわち、分離溝 17aの深さは、 3〜6 μ m程度あるが、その幅は 0.6〜5 μ m程度、たとえば 1 μ m程度と電気的分離が得られる程度の非常に狭い間隔であり、絶縁膜 21が完全に埋め込まれていなくても、表面は殆ど塞がり、その表面に形成される配線膜 3には、多少の凹みは生じても大きな段差は生じない。そのため、ステツプカバレッジの問題は一切なぐ非常に信頼性のある配線膜 3を有する半導体発光装置が得られる。

[0049] なお、前述の例では、 n側電極 20を透光性導電層 18の上に露出するように高く形成したが、前述のように、必ずしも透光性導電層 18の上に露出して p側電極 19とほぼ同一面になっていなくても、 n側電極 20の位置は分離溝 17aを経て隣接する発光部の P側電極 19に至る段差よりは小さぐさらに n側電極 20の上に配線膜 3が積層されて P側電極 19と接続されるため、段差の問題は余り生じない。そのため、 n側電極 2 0は特別に高く形成されなくても、断線などは生じにくぐ非常に安定した配線膜 3が得られる。若干でも高く形成されていれば、より一層信頼性が向上する点で好ましい。すなわち、分離溝 17aの部分で段差が生じないように実質的に同一面の場所に分離溝 17aが形成されて、ればよ、。

[0050] 前述の例は、 n形層 14の露出部と、分離溝 17aを異なる場所に形成することにより、分離溝 17aを挟んだ半導体層の表面を実質的に同一面になるようにしたが、 n形層 14を露出させた露出部に分離溝 17aが形成されていても、傾斜面を有するダミー領域（中間領域)を設けることにより、断線の問題を防止することができる。その例が、図 2に同様の断面説明図で示されている。

[0051] 図 2において、半導体積層部 17は図 1に示される例と同じであるので、同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。この例では、分離溝 17aが半導体積層部 17の表面力も形成されるのではなぐ n形層 14の露出面力もさらに高温バッファ層 1 3に至るように分離溝 17aが形成されている。ただし、分離溝 17aを挟んで n側電極 2 0を形成する側と反対側にも n形層 14の露出部が形成され、その n形層 14から半導体積層部 17上の透光性導電層 18の表面に達する傾斜面を有するダミー領域 5が形成されて!/ヽることに特徴がある。

[0052] このダミー領域 5は、 1つの発光部 laとその隣の発光部 lbとの間に形成されており、その幅 L2は、 10〜50 /ζ πι程度に形成される。なお、このときの発光部 1の幅 L1は、 60 /z m程度である。また、このダミー領域 5は、図 2に示されるように、 n形層 14の露出部から半導体積層部 17の表面に至る傾斜面 17cが形成されている。図 2には模式的に構造図が示されているだけで、寸法的には正確な図になっていないが、透光性導電層 18の表面と n形層 14との段差は、前述のように、 0.5〜1 μ m程度で、 n形層 1 4の露出面から、分離溝 17aの底までの寸法は 3〜6 m程度ある。しかし、この分離溝 17aの幅 wは、前述のように、 1 μ m程度であり、少なくとも分離溝 17aの表面は、少々の窪みはできても殆ど絶縁膜 21により埋められている。したがって、このダミー領域 5の n形層 14の露出面を経て配線膜 3を形成すれば、殆どステップカバレッジの問題をなくすることができる力図 2に示される例では、このダミー領域 5に傾斜面 17 cが形成されている。これにより、絶縁膜 21および配線膜 3は緩やかな勾配になり、より一層配線膜 3の信頼性を向上させることができる。

[0053] このような傾斜面 17cを形成するには、たとえば傾斜面を形成する場所以外のところをレジスト膜などによりマスクし、基板 11を斜めに傾けてドライエッチングなどによりエッチングすることにより、図 2に示されるような系斜面 17cを形成することができる。その後は、前述の図 1に示される例と同様に、 p側および n側の電極 19、 20を形成し、その電極表面が露出するように絶縁膜 21を形成し、配線膜 3を形成することにより、図 2に示される構造の半導体発光装置を得ることができる。

[0054] このダミー領域 5が形成されることにより、前述のような傾斜面 17cを形成することができる他に、ダミー領域 5自身は発光には寄与しないが、隣接する発光部 1で発光した光が半導体層を伝ってこのダミー領域 5の表面や側面力光を放射させることができ、発光部 1が連続して形成される場合よりも、その発光効率 (入力に対する出力）が向上する。また、発光部 1が連続して形成されていると、通電により発熱した熱が逃げに《て、結局は発光効率が低下したり、信頼性の低下を来す恐れがあるが、このような発光させな、ダミー領域 5が形成されることにより、発熱しな!、で熱放散をしやす、ため、信頼性の面力もも好ましい。さらに、前述の図 3に示されるように、横側に並ぶ 2 つの発光部 1を配線膜 3で連結する場合、配線膜 3の形成場所が必要となるが、このダミー領域 5に配線膜 3を形成することができるし、後述するインダクタやキャパシタゃ抵抗 (直列抵抗が 100Vに適合させるのに用いる場合がある）などの付属部品を形成するスペースとして利用することができる。また、自由に配線膜を形成するスペースがあるため、発光部 1自身の構造を四角形状ではなく円形形状 (上面図の形状)など、光の取出し構造を考慮した所望の形状にしゃすいというメリットもある。すなわち、配線膜の断線防止のみならず、種々のメリットが付随する。このダミー領域 5の利用は、図 1の例でも同じである。

[0055] 図 2に示される例では、このダミー領域 5と半導体積層部 17の高い側で隣接する発光部 1とのあ!、だにも、その表面から高温バッファ層 13に至る第 2の分離溝 17bが形成されている。この第 2の分離溝 17bも、半導体積層部表面がほぼ同じ面の場所に形成されており、しかも前述と同様の電気的に分離し得る範囲で、できるだけ狭い間隔、すなわち 1 m程度の幅で形成されている。そのため、この第 2の分離溝 17b上に絶縁膜 21を介して配線膜 3が形成されても、断線などの問題は生じない。この第 2 の分離溝 17bは無くても構わないが、第 2の分離溝 17bが設けられることにより、エツチングのバラツキにより分離溝 17aが完全に高温バッファ層 13に達していない場合が生じても、隣接する発光部 1間の電気的分離を確実にすることができ、その信頼性を向上させることができる。

[0056] 図 5は、本発明の半導体発光装置の応用例で、発光特性を向上させる例である。

すなわち、前述のように、本発明の半導体発光装置は、 LEDを相互に逆方向に接続しておいて、交流で直接駆動する構造になっている。そのため、一方向に接続される LED群は、交流の半波でのみ発光し、他方向に接続される LED群は交流の残りの半波でのみ発光する。したがって、図 5 (b)に時間 tに対する出力 Poが示されるように、発光出力は半波の出力が繰り返されることになり、 100 (50 X 2)または 120 (60 X 2 ) Hzの繰返し周期のパルスとなる。この程度の繰返しでは、人間の目の感覚には、通常余り意識されないが、それでも敏感な目にはチラツキの現象が現れる。このような問題を解決するもので、蛍光体膜 6が発光面に設けられている。

[0057] 図 5 (a)には、図 1に示される発光装置の表面に形成された電極パッド 4を、回路基板 31の配線 32上に直接ノヽンダ付けなどにより接続するフリップチップタイプの例が示されている。すなわち、サファイア基板 11の裏面を光の放射面として上向きにし、各発光部 1が図示しない配線膜により接続された部分を回路基板 31側にしてマウントされた例が示されている。そして、サファイア基板 11の露出面に蛍光体膜 6が設けられている。蛍光体材料としては、余り残光時間が長いと消灯した場合にいつまでも明るく違和感を生じるので、残光時間（強度が 1Z10程度になる時間）が 10msec (ミリ秒）から lsec程度のものが好ましぐたとえば ZnS : Cu(Cuがドープされた ZnSを意味する）、 Y O 、 ZnS :A1 (A1がドープされた ZnSを意味する）などを用いることができ

2 3

、このような蛍光体材料を、榭脂材料と混合してサファイア基板 11の表面に塗布することによりチラツキなどのない発光装置とすることができる。しかし、蛍光体膜 6の形成は、このような基板裏面に限定されるものではなぐ表面側に形成することもできる。

[0058] 蛍光材料として、たとえば青色光を吸収して黄色に変換し、その黄色の光が LED チップ力発せられる青色光と混色して白色光に変換する YAG (イットリウム 'アルミ -ゥム ·ガーネット）のような発光色変換部材（ 1Z 10残光時間は 150〜200nsec)を用いることにより、または紫外光を赤色、緑色および青色に変換する発光色変換部材を混合して塗布し、もしくは別々に分離して塗布することにより、青色光または紫外光の LEDと発光色変換蛍光材料とにより電灯などに適した白色光の発光装置とすることができ、前述の残光時間が 10msec以上の蛍光体材料と混ぜることにより、残光による目のチラツキを解消しながら、所望の発光色の半導体発光装置とすることができる。このような蛍光体膜の被膜は、前述のサファイア基板 11の裏面に設ける場合に限らず、 LEDの発光面側に設けられれば、その構造には限定されない。

[0059] 図 6は、図 5の例をさらに変形したもので、蛍光体膜 6の表面にさらに蓄光ガラス膜 7 が形成された例である。蓄光ガラスとは、テルビウムなどの蓄光材がガラス体内に混入されたもので、このようなガラスを粉末状にして透明樹脂に取り込むことにより、塗布により所望の場所に設けることができる。このような蓄光ガラス膜 7が設けられることにより、前述の交流駆動によるチラツキをさらに確実に解消することができると共に、電源をオフにしてからもさらに 30〜 120分程度は光ってヽるため、誘導灯として使用することができ、停電時の非常用照明として機能する。なお、この蓄光ガラスを直接 L EDチップに設けてもよいが、図 6に示されるように、蛍光体膜 6上に設けることにより、蛍光体材料にもよるが、蓄光が主な発光になったときに、光の吸収が少なくなるというメリットがある。

[0060] 図 7は、本発明の半導体発光装置のさらなる応用例を示す説明図である。すなわち、通常の電灯であれば、フィラメントが断線すれば点灯しなくなるだけで、電灯を交換すれば何ら不都合はないが、 LEDの場合には、ショート不良が起こる場合がある。直列接続された LEDが全てショート不良になることは稀である力もしれないが、 1個がショートすると他の発光部への印加電圧が高くなり、可能性としてはあり得ることであり、完全な安全性は保たれていない。し力も後述するように、並列接続されている場合、一部がショート不良になると、他の発光部も発光しなくなる。そこで、図 7に示されるように、直列接続された発光部 1 (LED)群と直列にヒューズ素子 8が接続されている。このような構成にすることにより、 LED群でショート不良が発生しても、ヒューズ素子 8 が安全装置となる。なお、同じ 100Vでも明るい発光装置にするには、図 7 (b)に示されるように、直列に接続された発光部群が、さらに並列に複数組接続されるが、このような場合には、それぞれの直列接続された発光部群ごとにヒューズ素子 8が直列に接続されることにより、一列の発光部群がオフになっても、残りの発光部群で発光することができ、暗くはなるが照明装置としては機能するので好ましい。

[0061] 図 8は、本発明の半導体発光装置にサージが入力しても保護することができるサージプロテクトとして、キャパシタ 9が組み込まれた例である。すなわち、直並列接続された発光部 1群の AC電源に接続される電極パッド 4a、 4b間にキャパシタ 9が接続されたものである。このキャパシタ 9は、たとえば 10〜20pF程度あれば通常の静電破壊を防止することができるので、図 8 (b)および 8 (c)に平面説明図および断面説明図が示されるように、配線膜 33上に、たとえば Si N力もなる絶縁膜 35を、 5nm程度

3 4

の厚さで、面積が 60 m X 60 m程度の大きさに形成すれば、上記容量を形成することができ、サージをー且キャパシタ 9で吸収し、時間をかけて放電することができるため、サージに対して発光部 1を保護することができる。

[0062] 図 9は、同様にサージプロテクタの例で、この例は、インダクタ 10を挿入した例である。すなわち、図 9 (a)に示される例は、たとえば前述の図 2に示されるダミー領域 5表面のスペースを利用して、配線膜 3により渦巻きを形成した例である。このような渦巻きが形成されることにより、インダクタンスが 1〜： LOnH程度に形成され、サージが入力しても減衰させる作用をする。この発光部 1間に形成するインダクタ 10は、電極パッドに近、部分に形成することが好ましぐ数個程度のインダクタを形成すれば通常のサージを減衰させることができるため、全ての発光部間に設ける必要はない。なお、渦巻きの中心の端部は、図示しない絶縁膜を介して設けられる配線膜により一方の発光部と接続される。

[0063] 図 9 (b)は、インダクタ形成例の他の例で、この例は、直列接続される発光部 1自体が渦巻き状になるように配線膜により接続されたものである。この両端の発光部 1が、電極パッド 4に接続されることにより、電極パッド 4間にサージが入力しても、サージの立上り時の小電流が渦巻き状に接続された発光部 1を流れることにより磁界が形成され、そのときのインダクタンスによりサージを減衰させることができる。

[0064] 図 10は、本発明の変形例を示す図で、この例は、各発光部 1で発光する光をできるだけ外部に取り出しやすくする例である。すなわち、この例は、発光部 1上 (透光性導電層 18上）の配線膜を ZnO層などの透光性導電層 36により形成したものである。配線膜 3が短くて直列抵抗が問題にならない程度であれば、全ての配線膜を透光性導電層 36で形成することもできる力前述のインダクタを配線膜により形成する場合のように、配線膜が長くなる場合には、少なくとも発光領域 (活性層 5に電流が流れる部分)上の配線膜を透光性導電層 36により形成されればよい。 ZnOといえども、 Au や A1などに比べると抵抗値が大き!/、からである。このように発光分部の上側に光を遮断する金属膜が設けられないようにすることにより、有効に発光した光を取り出すことができる。

[0065] 前述の各例では、絶縁膜を形成するのに、 SiOなどを CVD法などにより形成した

2

力たとえばクラリアント 'ジャパン株式会社の商品名 spinfil 130のように、スピンコートして 200°C10分、 400°C10分の硬化処理することにより 400°C程度の高温に耐え、透明な絶縁性を有する絶縁膜を形成すれば、分離溝などの凹部を埋めて、ある程度平坦な絶縁膜を形成することができる。しかも熱処理をするため、鋭い凸凹も丸くなり、その上に形成する配線膜の断線は生じに《なると共に、配線の薄い部分もなくなるため、全体として動作電圧が低くなり好ましい。しかし、この方法では、余り厚く形成すると、配線のための穴形成時の段差が大きくなり、その部分の配線膜の断線が生じる、という問題も生じる。

産業上の利用可能性

[0066] 商用交流電源を利用した蛍光灯に代る一般的な照明装置、信号機など、各種の照明装置に利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 基板と、該基板上に発光層を形成するように半導体層を積層して半導体積層部が形成され、該半導体積層部が複数個に電気的に分離されると共に、それぞれに一対の導電形層への電気的接続部が設けられる複数個の発光部と、前記複数個の発光部を、それぞれ直列および Zまたは並列に接続するために前記電気的接続部に接続される配線膜とを有し、前記複数個の発光部を形成するための電気的分離が、前記半導体積層部に形成される分離溝および該分離溝内に埋め込まれる絶縁膜により形成され、該分離溝は、該分離溝を挟んだ半導体積層部の表面が実質的に同一面になる場所に形成され、該分離溝上に前記絶縁膜を介して前記配線膜が形成されてなる半導体発光装置。

[2] 前記分離溝と該分離溝の一方の発光部との間に発光部に寄与しない半導体積層部からなるダミー領域が形成されてなる請求項 1記載の半導体発光装置。

[3] 前記各発光部の前記一対の導電形層への電気的接続部が、前記半導体積層部の上層側の第 1導電形半導体層に電気的に接続して設けられる上部電極と、前記半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の第 2導電形半導体層に電気的に接続して設けられる下部電極とからなり、前記分離溝を挟んだ前記半導体積層部の表面が、共に前記上層側の半導体層になるように形成されてなる請求項 1記載の半導体発光装置。

[4] 前記各発光部の前記一対の導電形層への電気的接続部が、前記半導体積層部の上層側の第 1導電形半導体層に電気的に接続して設けられる上部電極と、前記半導体積層部の一部をエッチング除去して露出する下層の第 2導電形半導体層に電気的に接続して設けられる下部電極とからなり、前記分離溝を挟んだ前記半導体積層部の表面が、共に前記下部電極が設けられる下層半導体層になるように形成され、前記下部電極が設けられる第 1の発光部と、前記分離溝を介して該下部電極と前記配線膜により接続される上部電極が設けられる第 2の発光部との間にダミー領域が設けられ、該ダミー領域に前記下層半導体層から前記上層半導体層に至る傾斜面が形成され、該傾斜面上を経て前記下部電極と上部電極とを接続する前記配線膜が形成されてなる請求項 1記載の半導体発光装置。

[5] 前記ダミー領域の前記分離溝と反対側で、前記半導体積層部の表面が実質的に同一面となる部分に第 2の分離溝が形成され、該第 2の分離溝内に絶縁膜が充填されてなる請求項 2記載の半導体発光装置。

[6] 前記半導体積層部が窒化物半導体力なり、該半導体積層部の少なくとも発光面側に、前記発光層で発光する光の波長を変換する発光色変換部材が設けられることにより、白色光を発光するように形成されてなる請求項 1記載の半導体発光装置。

[7] 前記複数個の発光部が、前記一対の導電形層への電気的接続部が相互に反対になるように並列接続された 1組が直列に接続されることにより、商用の交流電源で駆動し得るように接続されてなる請求項 1記載の半導体発光装置。

[8] 前記複数の発光部の光発射面側に残光時間が 10ミリ秒から 1秒以内の蛍光材料が設けられてなる請求項 1記載の半導体発光装置。

[9] 前記蛍光材料が、 ZnS： Cu、 Y O、 ZnS： A1である請求項 8記載の半導体発光装

2 3

置。

[10] 前記複数の発光部の光発射面側に残光時間が 1秒以上の蓄光材料が設けられてなる請求項 1記載の半導体発光装置。

[11] 前記蓄光材が、テルビウムである請求項 10記載の半導体発光装置。

[12] 前記発光色変換部材内に、残光時間が 10ミリ秒から 1秒以内の蛍光材料および残光時間が 1秒以上の蓄光材料の少なくとも一方が混入されてなる請求項 6記載の半導体発光装置。

[13] 前記半導体積層部が透光性の基板上に形成され、該基板の裏面が前記発光層で発光する光の取出し面とされ、該基板の裏面に前記発光色変換部材と、残光時間が 10ミリ秒から 1秒以内の蛍光材料および残光時間が 1秒以上の蓄光材料の少なくとも 1つとが設けられてなる請求項 6記載の半導体発光装置。

[14] 前記直列に接続される発光部の群れごとに、ヒューズ素子が直列に接続されてなる請求項 1記載の半導体発光装置。

[15] 前記直列および Zまたは並列に接続された複数の発光部の外部電源と接続される一対の電極パッド間にサージを吸収するキャパシタが並列に接続されてなる請求項 1記載の半導体発光装置。

[16] 前記直列および Zまたは並列に接続された複数の発光部の外部電源と接続される一対の電極パッド間にサージを吸収するインダクタが直列に接続されてなる請求項 1 記載の半導体発光装置。

[17] 前記配線膜のうち、少なくとも前記上部電極と接続される導電形の半導体層の表面上に形成される部分は、透光性導電膜により形成されてなる請求項 1ないし 10のいずれか 1項記載の半導体発光装置。