JP2001291899A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Abstract
一方の主面の一部に第二の半導体領域との界面にショッ
トキ障壁を形成するショットキバリア電極層(6)が形成
され、ショットキバリア電極層(6)と半導体基体(1)の一
方の主面が光透過性及び導電性を有する電極(7)によっ
て被覆される。半導体発光素子を順方向にバイアスした
場合、ショットキバリア電極層(6)の外側の素子周辺側
に電流が流れ、その部分でキャリアの再結合による発光
が生じるので、ショットキバリア電極層(6)の直下に流
れる無効電流を減少させ、外部量子効率を向上できる。
Description
合物の半導体領域を備え且つ高外部量子効率を有する半
導体発光素子に関する。
GaAlN等の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発
光層を備えた青色系の発光素子は、青色発光ダイオード
として公知である。この発光素子では、シリコン、Ga
As、GaP又はSiC等から成る低抵抗性基板の上に
窒化ガリウム系化合物半導体層が形成され、発光素子の
上面と下面には一対の電極が設けられる。この発光素子
では発光素子の厚み方向に電流を流すことができる為、
サファイア等から成る絶縁性基板の上に窒化ガリウム系
化合物半導体層を形成した構造に比べて、電流経路の抵
抗値を下げて消費電力及び動作電圧を低減することがで
きる。
使用した青色系発光素子では、発光素子の上面に配置さ
れるボンディング用電極の直下で発光し、発生する光の
うち発光素子の下面に向かう光は低抵抗性基板によって
吸収され、上面に向かう光は電極によって吸収されこの
ように、低抵抗性基板は光吸収層となるので、吸収した
光子数と放出された光子数との比である外部量子効率を
増加できない欠点があった。またボンディング用電極の
直下に流れる電流は実質的に無効電流となり、外部量子
効率を高めることができなかった。
平8−250768号公報には、発光素子の光取り出し
側又は光検出側の電極パッドの下部にシリコン酸化膜か
ら構成された抵抗率の高い高抵抗化領域を形成した半導
体素子が開示されている。光透過性を有するサファイア
製の絶縁性基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体領域
を形成する発光素子では、光が絶縁性基板を透過するの
で、外部量子効率を増加することができる。しかしなが
ら、光吸収性を有する低抵抗性基板を備えた発光素子構
造では、絶縁破壊電膜が比較的低いシリコン酸化膜によ
り高抵抗化領域を構成するとき、シリコン酸化膜を薄く
形成すると絶縁破壊が生じて電流をブロックする効果が
得られず、十分な改善は図れない。従って、外部量子効
率を増加するには高抵抗化領域を厚く形成しなければな
らないが、高抵抗化領域を厚く形成し且つ透明電極によ
り高抵抗化領域の上に電流を素子周囲に広げると、透明
電極に大きな段差が生じてカバレッジが悪くなる。透明
電極に亀裂が生じると、発光素子の周囲に電流を良好に
広げることができず、外部量子効率が低下する難点があ
る。
効率を有する半導体発光素子を提供することにある。
素子は、低抵抗性基板(2)と、低抵抗性基板(2)の一方の
主面に形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成る
第一の導電形の第一の半導体領域(3)と、活性層(4)と、
窒化ガリウム系化合物半導体から成る第一の導電形と反
対の第二の導電形の第二の半導体領域(5)とが積層され
て成る半導体基体(1)とを有する。半導体基体(1)の一方
の主面の一部に第二の半導体領域との界面にショットキ
障壁を形成するショットキバリア電極層(6)が形成さ
れ、ショットキバリア電極層(6)と半導体基体(1)の一方
の主面が光透過性及び導電性を有する電極(7)によって
被覆される。
バイアスした場合、透明電極(7)とp形半導体領域(5)と
の界面に電流が流れるが、ショットキバリア電極層(6)
とp形半導体領域(5)との界面には実質的に電流が流れ
ない。このため、平面的に見てショットキバリア電極層
(6)の外側の素子周辺側に電流が流れ、その部分でキャ
リアの再結合による発光が生じるので、ボンディング用
電極の直下に流れる無効電流を減少させ、透明電極(7)
を介してショットキバリア電極層(6)の周辺側に電流を
良好に拡散することができ、外部量子効率を高めること
ができる。また、ショットキバリア電極層(6)により電
流の集中を緩和し、半導体基体(1)の電気的劣化を防止
することができる。
ア電極層(6)は、第二の半導体領域がp形半導体領域の
場合には、Ti、Al、Cr、Ta、Cuから選択され
た1種又は2種以上の金属により形成され、第二の半導
体領域がn形半導体領域の場合には、Pt、Pd、Au
から選択された1種又は2種以上の金属により形成され
る。光透過性を有する電極(7)は、Ni、Au、ITO
(インジウム錫酸化物)から選択された1種又は2種以
上の物質により形成される。ショットキバリア電極層
(6)は傾斜面(6c)を有する円錐台形状に形成される。
適用した本発明による半導体発光素子の実施の形態を図
1について説明する。
ダイオード素子は、シリコン基板から成る低抵抗性基板
(2)、GaN(窒化ガリウム)から成る第一の半導体領
域としてのn形半導体領域(3)、p形のInGaN(窒
化ガリウムインジウム)から成る活性層(4)、第二の半
導体領域としてのGaNから成るp形半導体領域(5)を
順次積層して形成された半導体基体(1)と、半導体基体
(1)の一方の主面を構成するp形半導体領域(5)上に形成
されたショットキバリア電極層(6)と、ショットキバリ
ア電極(6)上及びp形半導体領域(5)上に形成された透明
電極(7)と、半導体基体(1)の下面に形成された接続用電
極(8)とを備えている。透明電極(7)はアノード電極とし
て機能し、接続用電極(8)はカソード電極として機能す
る。本実施の形態による青色発光ダイオード素子が従来
の発光ダイオード素子と相違する点は、本実施の形態で
はp形半導体領域(5)と透明電極(7)と間にショットキバ
リア電極層(6)を形成する点にある。
例えば砒素(As)が比較的高濃度で導入された(11
1)面のn+形シリコン単結晶基板から成る。低抵抗性
基板(2)は、0.0001〜0.01Ωcm程度の抵抗率を
有する実質的な導電体である。本実施の形態では、低抵
抗性基板(2)を約350μmの厚みで形成し、十分な機械
的強度を有する低抵抗性基板(2)の上面に形成される半
導体領域(3〜5)を良好に支持できる。n形半導体領域
(3)、活性層(4)、p形半導体領域(5)は周知のMOCV
D方法によって低抵抗性基板(2)の上面に順次連続して
形成される。
基板(2)の表面に予めバッファ層を形成した後、低抵抗
性基板(2)をMOCVD(有機金属化学気相成長)装置
の反応室内に配置して、バッファ層(2a)が形成された低
抵抗性基板(2)を1040℃の温度に加熱した後、反応
室内にTMGガス(トリメチルガリウムガス)、NH3
(アンモニア)ガス、SiH4(シラン)ガスを供給す
る。例えば、Gaを供給するTMGガスの流量は約4.
3μmol/分、NH3を供給するNH3ガスの流量は約5
3.6mmol/分、Siを供給するシランガスの流量は約
1.5nmol/分である。シランガスが反応室に供給され
るので、形成される膜中にn形不純物としてSiが導入
され、低抵抗性基板(2)のバッファ層の上面に約2.0〜
5.0μmの厚みを有するn形半導体領域(3)が形成され
る。
約3×1018cm-3であり、低抵抗性基板(2)の不純物濃
度よりかなり低い。本実施の形態では、n形半導体領域
(3)を低抵抗性基板(2)の一方の主面に直接形成するが、
実際には低抵抗性基板(2)とn形半導体領域(3)との間に
バッファ層(衝撃緩和層)を介在させて、シリコン半導
体から成る低抵抗性基板(2)の結晶方位を良好に引き継
いでその上面にGaN系化合物半導体領域を良好に形成
するのが望ましい。
度に加熱し、SiH4ガスの供給を停止し、反応室内に
TMGガス、NH3ガスに加えてTMIガス(トリメチ
ルインジウムガス)とCp2Mgガス(ビシクロペンタ
ジェニルマグネシウムガス)を供給してn形半導体領域
(3)の上面にp形InGaNから成る約20Åの厚みを
有する活性層(4)を形成する。Cp2Mgガスが反応室に
供給されるので、形成される膜中にp形導電形の不純物
としてMgが導入される。例えば、TMGガスの流量は
1.1μmol/分、NH3ガスの流量は67mmol/分、I
nを供給するTMIガスの流量は約4.5μmol/分、M
gを供給するGp2Mgガスの流量は約12nmol/分で
ある。活性層(4)の不純物濃度は約3×1017cm-3であ
る。
温度に加熱し、反応室内にTMGガス、NH3ガス及び
Cp2Mgガスを供給して活性層(4)の上面にp形GaN
から成るp約0.5μmの厚みを有するp形半導体領域
(5)を形成して半導体基体(1)を製造する。例えば、TM
Gガスの流量は約4.3μmol/分、アンモニアガスの流
量は約53.6μmol/分、Cp2Mgガスの流量は約0.
12μmol/分である。また、p形半導体領域(5)の不純
物濃度は約3×1018cm-3である。上記のように形成さ
れたn形半導体領域(3)、活性層(4)及びp形半導体領域
(5)は、低抵抗性基板(2)の上面にその結晶方位を揃えて
形成することができる。
ショットキバリア電極層(6)は、p形半導体領域(5)と接
触して、その界面にショットキバリア(ショットキ障
壁)を形成する。本実施の形態では、ショットキバリア
電極層(6)はTi膜(6a)とAl膜(6b)とが積層されて成
る積層電極として構成され、且つその側面には図示のよ
うに半導体基体(1)から離間した側から半導体基体(1)の
一方の主面に向かって末広がりとなる傾斜面(6c)が形成
される。即ち、ショットキバリア電極層(6)は、半導体
基体(1)の一方の主面上の略中央に円錐台形状に形成さ
れる。円錐台形構造のショットキバリア電極層(6)を形
成する際に、円錐台形と相補的な形状で周囲が傾斜する
開口部を有するシャドーマスクを半導体基体の一方の主
面に配置して、開口部を通じてTiとAlを順次真空蒸
着すれば、末広がりとなる傾斜面を備えたショットキバ
リア電極層(6)を形成することができる。Ti膜とAl
膜は、いずれもそれら単独でGaN半導体から成るp形
半導体領域(5)との界面にショットキ障壁を形成できる
金属膜である。本実施の形態では、Ti膜(6a)の厚みを
約200Å、Al膜(6b)の厚みを約5000Åとした。
また、ショットキバリア電極層(6)の直径は、その上面
で約120μm、下面で約140μmである。
成するp形半導体領域(5)の上面とショットキバリア電
極層(6)の上面に形成され、両者に対して低抵抗性接触
する。本実施の形態では、透明電極(7)はNi膜(7a)と
Au膜(7b)とが積層されて成る積層電極として構成され
る。即ち、Ni膜(7a)は窒化ガリウム系化合物半導体領
域に対して良好に低抵抗性接触し、Au膜(7b)はNi層
(7a)に比べて窒化ガリウム系化合物半導体領域(3〜5)に
対する低抵抗性接触は良好に得られないが導電性に優れ
ている。このため、透明電極(7)は、窒化ガリウム系化
合物半導体領域(3〜5)に対して良好に低抵抗性接触が得
られると共に、半導体発光素子の周辺に電流を良好に広
げることができる。透明電極(7)は例えば、周知の真空
蒸着方法によって半導体基体(1)の上面とショットキバ
リア電極層(6)の上面の全体にNiとAuを連続して蒸
着した後、半導体基体(1)の上面の外縁側に蒸着された
Ni膜(7a)とAu膜(7b)を選択的にエッチング除去する
ことによって形成することができるが、透明電極(7)は
スパッタリング等で形成することもできる。本実施の形
態では、ショットキバリア電極層(6)の側面に傾斜面(6
c)が形成されるので、透明電極(7)をショットキバリア
電極層(6)の側面に対してカバレッジ良く被覆すること
ができる。このため、ショットキバリア電極層(6)の立
ち上がり部分近傍において、透明電極(7)にクラック及
び亀裂の発生を抑制して、信頼性が高く発光効率の高い
発光素子を歩留まり良く生産することができる。また、
p形半導体領域(5)とショットキバリア電極層(6)とに対
するショットキバリア電極層(6)の低抵抗性接触が良好
に得られるように、真空蒸着した後に窒素雰囲気中で、
400℃、10分間程度の熱処理を施すと良い。透明電
極(7)は、半導体基体(7)の外縁側にも電流を良好に流す
ことができるように、シート抵抗が十分に小さい導電膜
である。本実施の形態では、ショットキバリア電極層
(6)と透明電極(7)とはボンディング用電極を構成する。
透明電極(7)は可視光線に対し透明であるが、導電性を
有する材料により形成される。
ルを半導体基体(1)の下面に順次真空蒸着して形成さ
れ、低抵抗性基板(2)に対して低抵抗性接触する。図1
に示す青色発光ダイオードの接続用電極(8)は、例えば
半田又は導電性ペーストを介して図示しない支持板に固
着され、ショットキバリア電極層(6)と透明電極(7)から
構成されるボンディング用電極に周知のワイヤボンディ
ング方法によってワイヤ(リード細線)の一端が接続さ
れ、ワイヤの他端は図示しない外部電極に電気的に接続
される。
キバリア電極層(6)と透明電極(7)から構成されるボンデ
ィング用電極と接続用電極(8)との間にボンディング用
電極側の電位を高くする電圧を印加すると、p形半導体
領域(5)からホールが活性層(4)に流れ込み、n形半導体
領域(3)から活性層(4)に電子が注入されて、キャリアの
再結合によって波長440nm付近の光が活性層(4)から
放出される。このとき、ショットキバリア電極層(6)は
p形半導体領域(5)との界面にショットキ障壁を形成
し、透明電極(7)はp形半導体領域(5)との界面に低抵抗
性接触する。このため、電圧を印加して半導体発光素子
を順方向にバイアスした場合、透明電極(7)とp形半導
体領域(5)との界面に電流が流れるが、ショットキバリ
ア電極層(6)とp形半導体領域(5)との界面には実質的に
電流が流れない。このため、平面的に見てショットキバ
リア電極層(6)の外側の素子周辺側に電流が流れ、その
部分でキャリアの再結合による発光が生じるので、ボン
ディング用電極の直下に流れる無効電流を減少させ、透
明電極(7)を介してショットキバリア電極層(6)の周辺側
に電流を良好に拡散することができ、外部量子効率を高
めることができる。また、ショットキバリア電極層(6)
により電流の集中を緩和し、半導体基体(1)の電気的劣
化を防止することができる。従来の半導体発光素子の外
部量子効率は0.2〜0.3%であるのに対し、本発明に
よる半導体発光素子では6%と優れた外部量子効率が得
られた。
例えば、ショットキバリア電極層(6)は、Ti、Al以
外にCr、Ta、Cu等他の金属によっても形成でき
る。透明電極(7)は、ITO(インジウム錫酸化物)、
Ni単独膜でも形成できる。ショットキバリア電極層
(6)の側面に傾斜面(6c)を形成しなくても良い。ショッ
トキバリア電極層(6)の上面に、透明電極(7)を介して更
にボンディング用電極形成用の金属膜を更に設けても良
い。ショットキバリア電極層(6)の側面に形成される傾
斜面(6c)は、シャドーマスクを使用しなくても形成でき
る。たとえば、ショットキバリア電極層(6)をp形半導
体領域(5)の全面に蒸着した後に、フォトリソグラフィ
ーとウェットエッチングでサイドエッチングによるエッ
チバックを見込んで形成しても良い。n形半導体領域
(3)とp形半導体領域(5)の導電形を反対にしてもよい。
この場合、ショットキバリア電極層(6)は、例えばP
t、Pd、Auを使用でき、透明電極(7)は例えばIT
O(インジウム錫酸化物)、Niで形成することができ
る。低抵抗性基板(2)をGaAs、GaPまたはシリコ
ンカーバイド等で形成しても良い。透明電極(7)の光透
過性が十分に得られるように、100Å以下、望ましく
は80Å以下に透明電極(7)を形成してもよい。Ni層
(7a)又はAu層(7b)の一層で透明電極(7)を形成しても
良いが、実施例のように窒化ガリウム系化合物半導体領
域に対して良好に低抵抗性接触する相対的に肉薄の第一
の層(例えばNi)と導電性の良好な相対的に肉厚の第
二の層(例えばAu)とから構成される膜とするのが望
ましい。ショットキバリア電極層(6)の厚みは1000
Å以上とし、ボンディング電極として良好に機能させる
とよい。
効率を改善して、信頼性を向上することができる。
よる半導体発光素子の断面図
・第一の半導体領域(n形半導体領域)、 (4)・・活
性層、 (5)・・第二の半導体領域(p形半導体領
域)、 (6)・・ショットキバリア電極層、 (6a)・・
Ti層、 (6b)・・Al層、 (7)・・透明電極、 (7
a)・・Ni層、 (7b)・・Au層、 (8)・・接続用電
極、
Claims (5)
- 【請求項1】 低抵抗性基板と、該低抵抗性基板の一方
の主面に形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成
る第一の導電形の第一の半導体領域と、活性層と、窒化
ガリウム系化合物半導体から成る第一の導電形と反対の
第二の導電形の第二の半導体領域とが積層されて成る半
導体基体とを有し、該半導体基体の一方の主面の一部に
第二の半導体領域との界面にショットキ障壁を形成する
ショットキバリア電極層が形成され、ショットキバリア
電極層と半導体基体の一方の主面が光透過性及び導電性
を有する電極によって被覆されることを特徴とする半導
体発光素子。 - 【請求項2】 前記ショットキバリア電極層は、Ti、
Al、Cr、Ta、Cu、Pt、Pd、Auから選択さ
れた1種又は2種以上の金属により形成される請求項1
に記載の半導体発光素子。 - 【請求項3】 光透過性を有する前記電極は、Ni、A
u、ITO(インジウム錫酸化物)から選択された1種
又は2種以上の物質により形成される請求項1又は2に
記載の半導体発光素子。 - 【請求項4】 前記ショットキバリア電極層は傾斜面を
有する円錐台形状に形成される請求項1〜3のいずれか
1項に記載の半導体発光素子。 - 【請求項5】 電圧を印加して前記半導体発光素子を順
方向にバイアスした場合、前記透明電極と前記p形半導
体領域との界面に電流が流れ、前記ショットキバリア電
極層と前記p形半導体領域との界面には実質的に電流が
流れない請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体発
光素子。
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