JP2007035990A

JP2007035990A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2007035990A
Application number: JP2005218307A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Kawaguchi; 義之川口; Kazuhiro Nishizono; 和博西薗
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】窒化ガリウム系化合物半導体層中に発生する電界分布を可能な限り広げることで、電流分布の偏りを低減し、光取出し効率が向上した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、複数の窒化ガリウム系化合物半導体層がエピタキシャル成長法により積層された直方体状の半導体積層体７を有するとともに、最上層の窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された四角形状のｐ側導電層９と、窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を除去した露出部に形成された鉤状のｎ側導電層１１とが、半導体積層体７の同じ主面側に平面視で全体として一つの四角形状を成すように相補的に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の窒化ガリウム系化合物半導体層が積層された半導体積層体の一方の主面側にｐ側導電層及びｎ側導電層が形成された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。

近年、紫外光領域から青色あるいは緑色を発光する発光ダイオードとして、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体（窒化物系半導体）を用いた発光素子が注目されている（例えば、特許文献１〜特許文献５を参照）。このような窒化ガリウム系化合物半導体は、一般に絶縁性基板であるサファイア製の基板の上に成長されるため、基板の裏面に電極を設けることができず、結晶成長した窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に、ｐ側電極とｎ側電極の両方を形成しなければならない。

図１に従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の斜視図を示す。絶縁性のサファイア製の基板１上に、ｎ型窒化ガリウム半導体層２とｐ型窒化ガリウム半導体層３をエピタキシャル成長させ、その後エッチングによりｐ型窒化ガリウム半導体層３の一部を除去した露出部を形成する。このｎ型窒化ガリウム半導体層２の露出部にはワイヤーボンディングのためのｎ側電極（電極パッド）４が設けられ、またｐ型窒化ガリウム半導体層３のほぼ全面に透明電極（ｐ側導電層）５が形成されるとともに、透明電極５上にワイヤーボンディング用のｐ側電極６が設けられている。

なお、ｎ側電極４の下層側にはｎ側導電層が形成されており、ｎ側電極４はｎ側導電層を介してｎ型窒化ガリウム半導体層２上に設けられている。
特開平２−４２７７０号公報特開平２−２５７６７９号公報特開平５−１８３１８９号公報特開平６−１９６７５７号公報特開平６−２６８２５７号公報

図１のような構成の場合、可能な限り発光領域を広げるために、ｐ側窒化ガリウム半導体層３に形成されたｐ側導電層５の面積を大きくすることが望ましい。しかしながら、ｐ側導電層５の面積を大きくすると、ｎ型窒化ガリウム半導体層２に形成されたｎ側電極４およびｎ側導電層の面積は反対に小さくなるので、窒化ガリウム半導体層中において電流が均一に広がらず、ｐ側導電層５とｎ側導電層とが近接する部位に電界が集中する。また、図１に示すように、ｐ側導電層５とｎ側導電層とが近接する部位は、その沿線距離が短いため、電界の集中の度合いがきわめて大きくなる。その結果、窒化ガリウム半導体層全域にわったて均一な発光が得られないため、光取り出し効率が著しく低下する。

したがって、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、窒化ガリウム半導体層中における電界を可能な限り広げることで、電流分布の偏りを低減し、光取出し効率が従来よりも著しく改善された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することである。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、複数の窒化ガリウム系化合物半導体層がエピタキシャル成長法により積層された直方体状の半導体積層体を有するとともに、最上層の前記窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された四角形状のｐ側導電層と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を除去した露出部に形成された鉤状のｎ側導電層とが、前記半導体積層体の同じ主面側に平面視で全体として一つの四角形状を成すように相補的に配置されていることを特徴とする。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において好ましくは、四角形状の前記ｐ側導電層における鉤状の前記ｎ側導電層と反対側の２辺の合計の長さをＡ、前記ｎ側導電層における前記ｐ側導電層と反対側の２辺の合計の長さをＢとしたとき、Ａ≦Ｂであることを特徴とする。

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において好ましくは、四角形状の前記ｐ側導電層における鉤状の前記ｎ側導電層の曲がり部に対向する角部が曲線状となっていることを特徴とする。

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において好ましくは、前記ｐ側導電層は透光性導電層から成ることを特徴とする。

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において好ましくは、前記ｐ側導電層及び前記ｎ側導電層は光反射層から成ることを特徴とする。

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において好ましくは、前記半導体積層体は透明な基板上にエピタキシャル成長法によって形成されて成ることを特徴とする。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、上記本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、基板上に前記半導体積層体をエピタキシャル成長法によって形成した後に前記半導体積層体から前記基板を除去し、次に前記半導体積層体を前記基板よりも透明な支持体上に接着することを特徴とする。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、複数の窒化ガリウム系化合物半導体層がエピタキシャル成長法により積層された直方体状の半導体積層体を有するとともに、最上層の窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された四角形状のｐ側導電層と、窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を除去した露出部に形成された鉤状のｎ側導電層とが、半導体積層体の同じ主面側に平面視で全体として一つの四角形状を成すように相補的に配置されていることから、従来と同程度に大面積のｐ側導電層を形成できるとともに、ｐ側導電層とｎ側導電層の対向する部位の沿線距離が大幅に増大する結果、ｐ側導電層から窒化ガリウム半導体層中を通ってｎ側導電層に流れる電流分布が広がり、窒化ガリウム半導体層における発光が従来よりも均一になり、光取出し効率が向上する。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は好ましくは、四角形状のｐ側導電層における鉤状のｎ側導電層と反対側の２辺の合計の長さをＡ、ｎ側導電層におけるｐ側導電層と反対側の２辺の合計の長さをＢとしたとき、Ａ≦Ｂであることから、ｐ側導電層とｎ側導電層の対向する部位の沿線距離がさらに増大する結果、ｐ側導電層から窒化ガリウム半導体層中を通ってｎ側導電層に流れる電流分布がさらに広がり、窒化ガリウム半導体層における発光がより均一になり、光取出し効率がより向上する。

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は好ましくは、四角形状のｐ側導電層における鉤状のｎ側導電層の曲がり部に対向する角部が曲線状となっていることから、ｐ側導電層の面積が増加し、それに伴い発光面積も増加するため、光取出し効率がさらに向上する。

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は好ましくは、ｐ側導電層は透光性導電層から成ることから、窒化ガリウム半導体層内部で発光した光のうち、電極側に放出された光は、電極に遮られることなく外部へ効率よく取り出せるという効果がある。

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は好ましくは、ｐ側導電層及びｎ側導電層は光反射層から成ることから、窒化ガリウム半導体層内部で発光した光のうち電極側に放出された光は、光反射層からなるｐ側導電層及びｎ側導電層で基板側に反射され、例えば透明な基板側から外部へ効率よく放出することが可能となる。

また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は好ましくは、半導体積層体は透明な基板上にエピタキシャル成長法によって形成されて成ることから、例えば窒化ガリウム半導体層内部で発光した光のうち光反射層からなるｐ側導電層及びｎ側導電層で基板側に反射された光を、透明な基板側から外部へ効率よく放出することが可能である。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、上記本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、基板上に半導体積層体をエピタキシャル成長法によって形成した後に半導体積層体から基板を除去し、次に半導体積層体を基板よりも透明な支持体上に接着することから、基板を除去する前よりも光取り出し効率がさらに向上する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造することができる。また、従来のサファイア製の基板のように、窒化ガリウム系化合物半導体と熱伝導率や熱膨張係数などの物性が大きく異なる基板よりも、これらの物性値が窒化ガリウム系化合物半導体により近似した材料を選択することが可能になるので、信頼性の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製できる。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子について図面を参照しつつ以下に詳細に説明する。

図２は本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子について実施の形態の一例を示す平面図である。また、図３は図２の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面図である。これらの図において、同様の箇所には同一の符合を付し、重複する説明を省略する。

図３において、７は窒化ガリウム系化合物半導体層を複数層積層して成る半導体積層体であり、７ａは発光層、７ｂは第１導電型（ｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、７ｃは第２導電型（ｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層、８は窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長するために用いた透明な基板、９はｐ側導電層、１０はｐ側電極、１１はｎ側導電層、１２はｎ側電極である。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、図２に示すように、複数の窒化ガリウム系化合物半導体層がエピタキシャル成長法により積層された直方体状の半導体積層体７を有するとともに、最上層の窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された四角形状のｐ側導電層９と、窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を除去した露出部に形成された鉤状のｎ側導電層１１とが、半導体積層体７の同じ主面側に平面視で全体として一つの四角形状を成すように相補的に配置されている構成である。

本発明の半導体積層体７は、発光層７ａを、第１導電型（この例ではｐ型）窒化ガリウム系化合物半導体層７ｂ及び第２導電型（この例ではｎ型）窒化ガリウム系化合物半導体層７ｃで挟んだ構成である。この場合、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｂ及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｃはそれぞれ、発光層７ａ側にインジウム（Ｉｎ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含有する窒化ガリウム系化合物半導体層を複数層を積層したものとしてもよく、禁制帯幅が発光層７ａよりも広くなるように組成をそれぞれ制御することができる。

また、発光層７ａは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層とから成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）としてもよい。

なお、第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｂ及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｃは、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層であっても構わない。

ｐ側導電層９及びｎ側導電層１１は、発光層７ａが発生した光を損失なく反射し、かつそれぞれ第１導電型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｂ及び第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｃと良好なオーミック接続がとれる材質から成る表面が滑らかな層状のものを用いるのがよい。即ち、ｐ側導電層９及びｎ側導電層１１は、光反射層からなることがよい。

そのような材質のものとしては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、金−シリコン合金（Ａｕ−Ｓｉ合金）、金−ゲルマニウム合金（Ａｕ−Ｇｅ合金）、金−亜鉛合金（Ａｕ−Ｚｎ合金）、金−ベリリウム合金（Ａｕ−Ｂｅ合金）等を用いればよい。これらの中でも、アルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）は、発光層７ａが発光する青色（波長４５０ｎｍ程度）〜紫外（波長３５０ｎｍ程度）の光に対して反射率が高いので好適である。また、アルミニウム（Ａｌ）はｎ型である第２導電型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｃとのオーミック接合の点でも特に好適である。また、上記材料の中から選択した複数層を積層したものとしても構わない。

また、本発明において、ｐ側導電層９は透光性導電層から成ることが好ましい。この場合、窒化ガリウム半導体層内部で発光した光のうち、電極側に放出された光は、電極に遮られることなく外部へ効率よく取り出せるという効果がある。このような透光性導電層としては、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ_２）等から成るものがよい。また、透光性導電層の厚みは５０Å〜１０μｍ程度である。

本発明において、図２に示すように、四角形状のｐ側導電層９と鉤状のｎ側導電層１１とが、半導体積層体７の同じ主面側に平面視で全体として一つの四角形状を成すように相補的に配置されている構成であるが、これによりｐ側導電層９とｎ側導電層１１の対向する部位の沿線距離が大幅に増大する結果、ｐ側導電層９から窒化ガリウム半導体層中を通ってｎ側導電層１１に流れる電流分布が広がり、窒化ガリウム半導体層における発光が従来よりも均一になり、光取出し効率が向上する。

ｐ側導電層９とｎ側導電層１１の対向する部位の沿線距離は、平面視で一辺が３００μｍの正方形をした半導体積層体とした場合、４５０μｍ〜５００μｍ程度であることが好ましい。４５０μｍ未満では、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｂの全域に亘り電流が十分に広がらない点で不都合があり、５００μｍを超えると、発光面積が減少する点で不都合がある。

また、平面視でｐ側導電層９とｎ側導電層１１の対向する部位の隙間は、５μｍ〜２０μｍ程度であることがよい。５μｍ未満では、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｂとｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層７ｃの表面を伝わって流れる電流が発生するため、発光層に電流が流れなくなり易く、２０μｍを超えると、発光面積が減少し易くなる。

また、ｐ側導電層９とｎ側導電層１１との面積比は、５：１程度であることがよい。１未満では、発光面積が減少することとなり、５を超えると、ｎ型導電層１１の上にワイヤーボンディングを行うための面積が確保できなくなる。

また、ｐ側導電層９とｎ側導電層１１の対向する部位の沿線距離をさらに増大させるために、上記対向する部位に波形部（サインカーブ状部）を形成してもよい。

また、本発明において、四角形状のｐ側導電層９における鉤状のｎ側導電層１１と反対側の２辺１ａ，２ａの合計の長さをＡ、ｎ側導電層１１におけるｐ側導電層９と反対側の２辺１ｂ，２ｂの合計の長さをＢとしたとき、Ａ≦Ｂであることが好ましい。この場合、ｐ側導電層９とｎ側導電層１１の対向する部位の沿線距離がさらに増大する結果、上記と同様の作用効果によって光取出し効率がより向上する。また、この場合、四角形状のｐ側導電層９と鉤状のｎ側導電層１１から相補的に構成される全体形状がより四角形状に近似したものとなるため、ウエハから素子を分離する際に複雑な形状に分断する必要がなく、縦方向と横方向に分断するだけで容易な素子分離が可能である。

また、本発明において、四角形状のｐ側導電層９における鉤状のｎ側導電層１１の曲がり部に対向する角部が曲線状となっていることが好ましい。この場合、ｐ側導電層９の面積が増加し、それに伴い発光面積も増加するため、光取出し効率がさらに向上する。さらに、ｐ側導電層９の曲線状の角部は円弧状であるのがよく、ｐ側導電層９の角部における電界集中を抑制できるという効果がある。

また、本発明において、半導体積層体７は透明な基板上にエピタキシャル成長法によって形成されて成ることが好ましい。この場合、例えば窒化ガリウム半導体層内部で発光した光のうち光反射層からなるｐ側導電層９及びｎ側導電層１１で基板側に反射された光を、透明な基板側から外部へ効率よく放出することが可能となる。この透明な基板としてはサファイア，炭化ケイ素（ＳｉＣ）等からなるものがよい。

また、ｐ側導電層９及びｎ側導電層１１上には、それぞれ外部との電気的接続をとるための導線等を接続するｐ側電極１０とｎ側電極１２が設けられている。両電極は、例えばチタン（Ｔｉ）層、またはチタン（Ｔｉ）層を下地として金（Ａｕ）層を積層したものを用いればよい。

上記本発明の構成によれば、ｐ側導電層９とｎ側導電層１１とに順方向バイアス電圧を印加することによって、半導体積層体７にバイアス電流を流すと、従来よりもｐ側導電層９の面積が増加することで発光領域が広がり、また平面視でｐ側導電層９とｎ側導電層１１の対向する部位の沿線距離が大幅に長くなって、バイアス電流が均一に分布するため、光の取り出し効率が飛躍的に向上する。

以上のように、本発明によれば、光取り出し効率が大幅に改善された高性能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することができる。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、基板上に半導体積層体７をエピタキシャル成長法によって形成した後に半導体積層体７から基板を除去し、次に半導体積層体７を基板よりも透明な支持体上に接着するものである。この場合、基板を除去する前よりも光取り出し効率がさらに向上する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造することができる。また、従来のサファイア製の基板のように、窒化ガリウム系化合物半導体と熱伝導率や熱膨張係数などの物性が大きく異なる基板よりも、これらの物性値が窒化ガリウム系化合物半導体により近似した材料（例えば、硼化ジルコニウム等）を選択することが可能になるので、信頼性の高い窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製できる。

なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更、改良を施すことは何等差し支えない。

従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の一例を示す斜視図である。本発明の発光素子の実施の形態の一例を示す模式的な平面図である。本発明の発光素子の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１・・・基板
２・・・ｎ型窒化ガリウム半導体層
３・・・ｐ型窒化ガリウム半導体層
４・・・ｎ側電極
５・・・透明電極
６・・・ｐ側電極
７・・・窒化ガリウム系化合物半導体層
７ａ・・・発光層
７ｂ・・・第１導電型半導体層
７ｃ・・・第２導電型半導体層
８・・・透明基板
９・・・ｐ側導電層
１０・・・ｐ側電極
１１・・・ｎ側導電層
１２・・・ｎ側電極

Claims

複数の窒化ガリウム系化合物半導体層がエピタキシャル成長法により積層された直方体状の半導体積層体を有するとともに、最上層の前記窒化ガリウム系化合物半導体層上に形成された四角形状のｐ側導電層と、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の一部を除去した露出部に形成された鉤状のｎ側導電層とが、前記半導体積層体の同じ主面側に平面視で全体として一つの四角形状を成すように相補的に配置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。
四角形状の前記ｐ側導電層における鉤状の前記ｎ側導電層と反対側の２辺の合計の長さをＡ、前記ｎ側導電層における前記ｐ側導電層と反対側の２辺の合計の長さをＢとしたとき、Ａ≦Ｂであることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
四角形状の前記ｐ側導電層における鉤状の前記ｎ側導電層の曲がり部に対向する角部が曲線状となっていることを特徴とする請求項１または２記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記ｐ側導電層は透光性導電層から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記ｐ側導電層及び前記ｎ側導電層は光反射層から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記半導体積層体は透明な基板上にエピタキシャル成長法によって形成されて成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
請求項１乃至５のいずれか記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、基板上に前記半導体積層体をエピタキシャル成長法によって形成した後に前記半導体積層体から前記基板を除去し、次に前記半導体積層体を前記基板よりも透明な支持体上に接着す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の製造方法。