JP2005197289A - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化物半導体発光素子は、対向する一対の主面を有する基板11と、前記基板11の一方の主面上に積層される第1の伝導型窒化物半導体層と、前記第1の伝導型窒化物半導体層上に積層される第2の伝導型窒化物半導体層と、前記第1の伝導型窒化物半導体層と第2の伝導型窒化物半導体層との間に形成される活性層14と、前記第2の伝導型窒化物半導体層と電気的に接続される金属電極層と、前記第2の伝導型窒化物半導体層と金属電極層との間に形成される透光性導電層とを備える。この窒化物半導体発光素子は、前記透光性導電層と金属電極層との間で、少なくとも一部に所定のパターンで反射層31が形成されている。
【選択図】図6
Description
基板11は、窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる透光性基板で、基板の大きさや厚さ等は特に限定されない。この基板としては、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板、また炭化珪素(6H、4H、3C)、シリコン、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。また、デバイス加工が出来る程度の厚膜(数十μm以上)であればGaNやAlN等の窒化物半導体基板を用いることもできる。異種基板はオフアングルしていてもよく、サファイアC面を用いる場合には、0.01°〜3.0°、好ましくは0.05°〜0.5°の範囲とする。
窒化物半導体としては、一般式がInxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)であって、BやP、Asを混晶してもよい。また、n型窒化物半導体層13、p型窒化物半導体層15は、単層、多層を特に限定しない。また、窒化物半導体層にはn型不純物、p型不純物を適宜含有させる。n型不純物としては、Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等のIV族、若しくはVI族元素を用いることができ、好ましくはSi、Ge、Snを、最も好ましくはSiを用いる。また、p型不純物としては、特に限定されないが、Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Caなどが挙げられ、好ましくはMgが用いられる。これにより、各導電型の窒化物半導体を形成することができる。前記窒化物半導体層には活性層14を有し、該活性層14は単一(SQW)又は多重量子井戸構造(MQW)とする。以下に窒化物半導体の詳細を示す。
(1)膜厚が200ÅのGaNよりなるバッファ層、膜厚が4μmのSiドープn型GaNよりなるn型コンタクト層、膜厚が30ÅのノンドープIn0.2Ga0.8Nよりなる単一量子井戸構造の活性層、膜厚が0.2μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9Nよりなるp型クラッド層、膜厚が0.5μmのMgドープp型GaNよりなるp型コンタクト層よりなる積層構造。
このようにして成長されたp型窒化物半導体層15上に、透光性導電層17を形成する。なお透光性とは、発光素子の発光波長を透過できるという意味であって、必ずしも無色透明を意味するものではない。透光性導電層17は、オーミック接触を得るために、好ましくは酸素を含むものとする。酸素を含む透光性導電層17には数々の種類があるが、好ましくは亜鉛(Zn)、インジウム(In)、スズ(Sn)よりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物とする。具体的には、ITO、ZnO、In2O3、SnO2等、Zn、In、Snの酸化物を含む透光性導電層17を形成することが望ましく、好ましくはITOを使用する。あるいはNi等の金属を30Å等の膜厚でスパッタして透明にした金属膜でもよい。このように、露出したp型半導体層のほぼ全面に導電層が形成されることにより、電流をp型半導体層全体に均一に広げることができる。しかも透光性を備えることで、電極側を発光観測面とすることもできる。以下の例では、透光性導電層17としてITOの透光性電極を使用する例を説明する。
透光性導電層17の表面に、反射層31を部分的に形成する。好ましくは所定のパターンで部分的に形成する。反射層31は多層構造とし、透光性導電層17であるITOに接する層を透光性膜311とする。
透光性膜311は絶縁性を備える層であり、これによって透光性膜311の上面に形成される反射膜322と透光性導電層17とを絶縁する。また、反射層31を設けない領域を導通経路32として、ITOに効率的に通電して電流拡散と低抵抗化とを図る。透光性膜311は単独で、あるいは層全体でITOと好ましいオーミック接続をし、ITOに投入された電流を半導体層側に拡散させる。また透光性膜311は、半導体発光素子からの光を効率よく取り出せるように高い透光性を有する。そのため透光性膜311は、好ましくは酸素を含み、より好ましくは酸化物とし、さらに好ましくはシリコン(Si)、Alよりなる群から選択された少なくとも一種の元素の酸化物とする。具体的には、SiO2、Al2O3等とし、好ましくはSiO2を使用する。
透光性膜311の上面には、反射膜322として金属膜が形成される。金属膜は、少なくともAl、Ag、W、Pt、Zn、Ni、Pd、Rh、Ru、Os、Ir、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Co、Fe、Mn、Mo、Cr、La、Cu、Yよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む金属または合金またはそれらの酸化物を含む層を有する多層構造である。特に透光性膜311の上面に形成される金属膜は、好ましくはAlもしくはAgを使用する。透光性膜311は、その上面に形成される金属膜と一体的に形成される。このような反射層31は、例えばSiO2/Al/W、およびSiO2/Al/W/Ptの積層構造、あるいはWのみ等で構成される。
また透光性膜311の上面には、反射膜312として金属膜に代えて、誘電体多層膜を形成してもよい。誘電体多層膜は、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alよりなる群から選択された少なくとも一種の酸化物または窒化物から選択された少なくとも2つを繰り返し積層した誘電体多層膜である。この場合、反射層31は、例えば(SiO2/TiO2)n(ただしnは自然数)の積層構造等で構成される。
透光性導電層上に反射層31が形成された後、その上に金属電極層40としてパッド電極を形成する。パッド電極は、表面に表面に導電性ワイヤがワイヤーボンディングされ、発光素子と外部電極との電気的接続を図ることができる。あるいは、パッド電極表面にAuバンプのような導電部材を配置し、導電部材を介して対向された発光素子の電極と外部電極との電気的接続を図ることができる。またパッド電極は透光性導電層と一部が直接接しており、透光性導電膜に均一に電流を流すことができる。パッド電極には既存の構成が適宜採用できる。例えばAu、Pt、Pd、Rh、Ni、W、Mo、Crのいずれかの金属またはこれらの合金やそれらの組み合わせから成る。図3の例では、パッド電極は下面からW/Pt/Au、Rh/Pt/Au、W/Pt/Au/Ni、もしくはPt/Auの積層構造としている。
反射層31を形成するパターンは、任意のパターンを使用できる。これらのパターンは、レジストパターンの上からRlE(reactiveion etching)やイオンミリング(ion milling)、リフトオフ等の方法により形成する。好ましいパターンとしては、図4の平面図に示すようにドット状、または図5に示すようにブロック状とする。図4に示す透光性導電層は、反射層31がドット状にパターニングされている。一方図5に示す例では、反射層31をブロック状にパターニングしている。またこれら図において破線で示す領域は、図3に示す絶縁性保護膜50の開口部51、52を示している。51はn型電極部分の開口部、52はp型電極部分の開口部をそれぞれ示す。このように、反射層31をITOの全面に設けず、部分的にITOが表出してパッド電極と接触するような構造とすることで、図6に示すようにこの領域が導通経路32となって、電気的障壁の高い領域を回避して電流が流れることで、接触抵抗を実質的に低減して順方向電圧を低下させることができる。なお、反射層31の形成パターンは上記図4、図5の例に限られず、例えばドットの形状を円形、楕円形、矩形状、多角形状などとしたり、またブロック状のパターンの縦横幅を適宜変更したり、矩形状のみならずさらに対角線を通した三角形状や円形、半円形、多角形状としたり、これらの配置を千鳥状としてもよい。また全体に均一に配置する例に限られず、領域ごとに大きさや密度を適宜変更したり、上記のパターンを組み合わせることもできる。
フリップチップ実装用の窒化物半導体発光素子を作成する場合は、以上のようにして形成された透光性導電層17上に、図3に示すように反射層31を部分的に形成する。反射層31は、透光性膜311と反射膜312の積層により構成される。透光性膜311は上述の通り絶縁性を備える層である。反射膜312は、例えば金属膜で形成できる。金属膜は、酸素を含有する透光性導電層17との接続を良好に行うため、一部が酸化されていることが好ましい。このように金属膜の反射膜312を透光性導電層17を介して窒化物半導体層と接続することにより、透光性導電層17は半導体層と良好なオーミック接続を行うことができる。
2…n型GaN層
3…InGaN発光層
4…p型GaN層
5…p側透明電極
7…p側電極
8…n側電極
9…LEDチップ
10…サブマウント
11…基板
12…バッファ層
13…n型窒化物半導体層
14…活性層
15…p型窒化物半導体層
17…透光性導電層
20…バンプ
21…ワイヤー
23…窒化物半導体層
24…金属膜
25…窒化物半導体層と金属膜との界面
26…窒化物半導体層と透光性導電層との界面
27…透光性導電層と金属膜との界面
31…反射層
311…透光性膜
312…反射膜
32…導通経路
35…p型コンタクト層
40…金属電極層
50…絶縁性保護膜
51、52…保護膜の開口部
Claims (18)
- 対向する一対の主面を有する基板と、
前記基板の一方の主面上に積層される第1の伝導型窒化物半導体層と、
前記第1の伝導型窒化物半導体層上に積層される第2の伝導型窒化物半導体層と、
前記第1の伝導型窒化物半導体層と第2の伝導型窒化物半導体層との間に形成される活性層と、
前記第2の伝導型窒化物半導体層と電気的に接続される金属電極層と、
前記第2の伝導型窒化物半導体層と金属電極層との間に形成される透光性導電層と、
を備える窒化物半導体発光素子であって、
前記透光性導電層と金属電極層との間で、少なくとも一部に反射層が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記反射層が、少なくとも絶縁膜を有する多層構造であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記反射層が、少なくともAl、Zn、Ni、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Si、In、Snよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む金属または合金またはそれらの酸化物またはそれらの窒化物を含む層を有する多層構造であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項2または3に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記反射層が、多層構造中に反射膜と該反射膜に接する透光性膜を有しており、かつ前記透光性膜は前記透光性導電層と接していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項4に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記反射膜は、AlまたはAgを含む金属膜よりなること、もしくはSi、Ti、Zr、Nb、Ta、Alよりなる群から選択された少なくとも一種の酸化物または窒化物から選択された少なくとも2つを繰り返し積層した誘電体多層膜よりなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項4または5に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記透光性膜は絶縁性を備えた透光性絶縁膜であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項4から6のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記反射層の透光性膜が、Si、Al、Zr、Hf、Ti、Ta、Nb、Znよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物よりなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項4から7のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記反射膜は前記金属電極層と接していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から8のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記反射層および透光性導電層と接して、パッド電極が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から9のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記透光性導電層はp型コンタクト層に接して形成されてなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から10のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記反射層のパターンが所定のパターンでかつブロック状であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から11のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記透光性導電層はITOからなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から12のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記透光性導電層の膜厚が1μm以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から13のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記金属電極層が、Au、Pt、Pd、Rh、Ni、W、Mo、Crのいずれかの金属またはこれらの合金を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から14のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記反射層の膜厚が10オングストローム以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 請求項1から15のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記第2の伝導型窒化物半導体層の屈折率は前記透光性導電層の屈折率よりも大きく、かつ前記透光性導電層の屈折率は、前記反射層の屈折率よりも大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 対向する一対の主面を有する基板と、
前記基板の一方の主面上に積層される第1の伝導型窒化物半導体層と、
前記第1の伝導型窒化物半導体層上に積層される第2の伝導型窒化物半導体層と、
前記第1の伝導型窒化物半導体層と第2の伝導型窒化物半導体層との間に形成される活性層と、
前記第2の伝導型窒化物半導体層と電気的に接続される金属電極層と、
を備え、上記基板の他方の主面を主光取出し面として配線基板に実装可能な窒化物半導体発光素子であって、
前記金属電極層と第2の伝導型窒化物半導体層との間に透光性導電層が形成されており、
前記透光性導電層と金属電極層との間で、少なくとも一部に光を反射させるための反射膜を少なくとも有する反射層が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 対向する一対の主面を有する基板と、
前記基板の一方の主面上に積層される第1の伝導型窒化物半導体層と、
前記第1の伝導型窒化物半導体層上に積層される第2の伝導型窒化物半導体層と、
前記第1の伝導型窒化物半導体層と第2の伝導型窒化物半導体層との間に形成される活性層と、
前記第2の伝導型窒化物半導体層と電気的に接続される金属電極層と、
を備え、上記基板の他方の主面を主光取出し面として配線基板に実装可能な窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
基板上に、第1の伝導型窒化物半導体層と、活性層と、第2の伝導型窒化物半導体層を積層するステップと、
前記第2の伝導型窒化物半導体層上に透光性導電層を形成するステップと、
前記透光性導電層上に少なくとも一部を被覆する光を反射させるための反射膜を少なくとも有する反射層を形成するステップと、
前記反射層上および反射層を設けていない透光性導電層が露出する領域上に金属電極層を形成するステップと、
を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
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