JP2012253074A - 窒化物系発光ダイオード素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ストライプコア基板であるＧａＮ基板上に形成したエピタキシャル層中には、基板のストライプコアに対応してエピタキシャル層中に高欠陥密度部が形成される。この高欠陥密度部の表面を有効利用した窒化物系ＬＥＤを提供する。
【解決手段】ストライプコア基板であるＧａＮ基板の上にｎ型層、発光層およびｐ型層を含む複数のエピタキシャル層が積層されている。該ｐ型層は、高欠陥密度部と、該高欠陥密度部よりも欠陥密度の低い低欠陥密度部とを有しており、透光性オーミック電極層が、該ｐ型層の該高欠陥密度部上から該低欠陥密度部上にわたって形成されており、ボンディングパッドが、該透光性オーミック電極層上の一部に形成されており、該透光性オーミック電極層と該ｐ型層の該高欠陥密度部との間には電流ブロック層が設けられており、該ボンディングパッドは該電流ブロック層の上方に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体で形成された発光構造を有する窒化物系発光ダイオード素子（以下、窒化物系ＬＥＤともいう）に関し、とりわけ、ＧａＮ基板上にエピタキシャル成長された発光構造を有する窒化物系ＬＥＤに関する。窒化物半導体は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎなどの一般式で表される化合物半導体であり、III族窒化物半導体、窒化物系半導体、窒化ガ
リウム（ＧａＮ）系半導体などとも呼ばれる。

ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮのような窒化物半導体を用いた半導体デバイスが実用化されている。代表的なデバイスは、窒化物半導体でダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造を構成した、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子である。特に、ｃ面サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長された発光構造を有する窒化物系ＬＥＤは、バックライトや照明のための光源として大量に生産されている。

ＧａＮ基板上に発光構造をホモエピタキシャル成長させることにより得られる窒化物系ＬＥＤは、発光構造中の結晶欠陥の密度が低いものとなるので、発光効率や寿命に優れたものとなると期待されている。
ｃ面を主面とするＧａＮ基板は、通常、欠陥集合領域を有している。特に、ストライプコアと呼ばれる、平行直線状に形成された欠陥集合領域を有するＧａＮ基板は、ストライプコア基板と呼ばれている（特許文献１、特許文献２）。ストライプコア基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、エピタキシャル層中には、基板のストライプコアに対応して欠陥密度の高い部分が形成される。ＧａＮ基板を用いた発光デバイスでは、通常、エピタキシャル層中のこのような高欠陥密度部ではない部分に活性領域（発光が起こる領域）が設けられる（特許文献３）。

特開２００４−３３５６４６号公報 特開２００６−１９６６０９号公報 特開２００９−２９５６９３号公報

上述のように、ストライプコア基板であるＧａＮ基板上に形成したエピタキシャル層中には、基板のストライプコアに対応してエピタキシャル層中に高欠陥密度部が形成される。本発明の主たる目的は、この高欠陥密度部の表面を有効利用した窒化物系ＬＥＤを提供することである。

一実施形態において、次の構成を有する窒化物系ＬＥＤが提供される：
ＧａＮ基板の上にｎ型層、発光層およびｐ型層を含む複数のエピタキシャル層が積層され、該ｐ型層は該複数のエピタキシャル層の最上層であり、該発光層は該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれている窒化物系ＬＥＤであって、
該ＧａＮ基板はストライプコア基板であり、
該ｐ型層は、該ＧａＮ基板のストライプコアの直上に位置する高欠陥密度部と、該高欠陥密度部よりも欠陥密度の低い低欠陥密度部とを有しており、
透光性オーミック電極層が、該ｐ型層の該高欠陥密度部上から該低欠陥密度部上にわたって形成されており、
ボンディングパッドが、該透光性オーミック電極層上の一部に形成されており、
該透光性オーミック電極層と該ｐ型層の該高欠陥密度部との間には電流ブロック層が設けられており、
該ボンディングパッドは該電流ブロック層の上方に配置されている。
好ましくは、上記透光性オーミック電極層は透明導電性酸化物で形成される。

本発明実施形態に係る上記の窒化物系ＬＥＤでは、ｐ型層の高欠陥密度部の表面上の領域をボンディングパッドの形成に利用している。ボンディングパッドの直下には活性領域が存在しないので、活性領域で発生する光がボンディングパッドにより吸収されることが防止され、発光効率が改善される。

窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。 図１に示す窒化物系ＬＥＤに含まれるＧａＮ基板の平面図である。 窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。 窒化物系ＬＥＤの構造を示す平面図である。 図４に示す窒化物系ＬＥＤの断面図であり、図５（ａ）は図４のＸ_１−Ｘ_１線の位置における断面図、図５（ｂ）は図４のＸ_２−Ｘ_２線の位置における断面図である。 図４および図５に示す窒化物系ＬＥＤに含まれるＧａＮ基板の平面図である。

以下では、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、説明を簡略化するために、同じ構成要素には同じ符号を付している。
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る窒化物系ＬＥＤ１０１の構造を図１に示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。

窒化物系ＬＥＤ１０１は、ＧａＮ基板１１の上に、窒化物半導体からなるｎ型層１２、発光層１３およびｐ型層１４が積層された構造を有している。各層は、ＭＯＶＰＥ法のような気相成長法を用いて形成されたエピタキシャル層である。最上部に位置するエピタキシャル層はｐ型層１４である。
ＧａＮ基板１１はストライプコア基板であり、欠陥集合領域であるストライプコアＡと、転位密度の低い単結晶領域Ｂとを有している。図２に示すように、ストライプコアＡは、ＧａＮ基板１１を平面視したときに直線状を呈する欠陥集合領域であり、４０〜２００μｍの幅を有している。ｐ型層１４はＧａＮ基板１１のストライプコアＡの直上に高欠陥密度部Ｃを有している。ｐ型層１４のその他の部分は、高欠陥密度部Ｃよりも欠陥密度の低い低欠陥密度部Ｄである。

ｐ型層１４の表面には透光性オーミック電極層１５が、高欠陥密度部Ｃ上から低欠陥密度部Ｄ上にわたって形成されている。その透光性オーミック電極層１５上の一部にボンディングパッド１６が形成されている。電流拡散を促進するために、ボンディングパッド１６には細長い帯状の電流拡散部１６ａが付加されている。透光性オーミック電極層１５とｐ型層１４の高欠陥密度部Ｃとの間には電流ブロック層１７が設けられており、ボンディ
ングパッド１６はこの電流ブロック層１７の上方に配置されている。

ｐ型層１４と発光層１３が一部除去された部分に露出するｎ型層１２の表面には、ｎ側電極１８が形成されている。
電流ブロック層１７は、ｐ型キャリアがエピタキシャル層中の欠陥密度の高い部分に注入されて失活するのを防止する目的で設けられている。
ボンディングパッド１６は、電流ブロック層１７の上方に配置されている。導電性の低いｐ型層１４の内部では、ｐ型キャリアが横方向（厚さ方向に直交する方向）に殆ど拡散しないので、発光層１３へのｐ型キャリアの注入が起こるのは、透光性オーミック電極層１５からｐ型層１４にｐ型キャリアが注入される領域の直下のみである。つまり、ｐ型層１４と透光性オーミック電極層１５が接している部分の直下の領域のみである。窒化物系ＬＥＤ１０１では、ボンディングパッド１６が電流ブロック層１７の上方に形成されているので、ボンディングパッドの直下では発光層１３へのｐ型キャリア注入が起こらない。つまり、ボンディングパッドの直下では発光が生じない。ボンディングパッドの直下で生じる光の多くの部分はボンディングパッドに吸収されて失われることから、このような光の発生を防止すれば、発光効率が改善される。

窒化物系ＬＥＤ１０１を回路基板やリードフレームのような支持体上に実装する場合には、ＧａＮ基板１１側を支持体に向けるジャンクションアップ実装と、エピタキシャル層側を支持体に向けるジャンクションダウン実装（フリップチップ実装）の、いずれの実装形式を採用してもよい。ジャンクションアップ実装の場合には、ボンディングワイヤと呼ばれる電流供給用のワイヤがボンディングパッド１６に接合される。ジャンクションダウン実装の場合には、外部の電極端子とボンディングパッド１６とが、ハンダ（例えば、ＡｕＳｎハンダ）、導電性ペースト（例えば、Ａｇペースト）を用いて接合される。

（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る窒化物系ＬＥＤ１０２の構造を図３に示す。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。前述の実施形態１に係る窒化物系ＬＥＤでは、部分的に露出したｎ型層１２の表面にｎ側電極１８が形成されているのに対し、窒化物系ＬＥＤ１０２では、ｎ側電極１８がＧａＮ基板１１の裏面に形成されている。この窒化物系ＬＥＤ１０２を実装する場合には、通常、ジャンクションアップ実装が採用される。

（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る窒化物系ＬＥＤ１０３の構造を図４および図５に示す。図４は平面図、図５（ａ）は図４のＸ_１−Ｘ_１線の位置における断面図、図５（ｂ）は図４のＸ_２−Ｘ_２線の位置における断面図である。
窒化物系ＬＥＤ１０３はジャンクションダウン実装したときの姿勢が安定となるよう、透光性オーミック電極１５上に４個のボンディングパッド１６を設けている。また、ジャンクションダウン実装したときに、ＧａＮ基板１１の裏面から光が十分に取り出されるように、該裏面上の一部のみにｎ側電極１８が設けられている。

窒化物系ＬＥＤ１０３では、４個のボンディングパッド１６がいずれもｐ型層１４の高欠陥密度領域Ｃ上に、電流ブロック層１７を介して配置された構成が得られるように、ＧａＮ基板１１を区画して用いている。すなわち、図６に示すように、平面視したときに、ストライプコアＡが両端に配置され、中央部に単結晶領域Ｂが配置されるように、ＧａＮ基板１１を区画して用いている。

（好適な実施形態）
次に、上述の各実施形態に係る窒化物系ＬＥＤにおいて採用し得る、各部の好適な構成
について説明する。
ＧａＮ基板１１の上にエピタキシャル成長されるｎ型層１２、発光層１３およびｐ型層１４のそれぞれは、半導体結晶の組成や不純物濃度が厚さ方向に一定である必要はなく、例えば、多層構造を有していてもよい。また、ＧａＮ基板１１とｎ型層１２の間、ｎ型層１２と発光層１３の間、発光層１３とｐ型層１４の間には、公知技術を参照して、様々な機能を有する窒化物半導体層を挿入することができる。例えば、欠陥低減層、歪緩和層、キャリアブロック層などである。

透光性オーミック電極層１５は、好ましくは、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜である。透明導電性酸化物としては透過率の高いものを用いることが望ましく、具体的には、ＩＴＯ、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）などの酸化インジウムベースのＴＣＯ、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、ＧＺＯ（ガリウム亜鉛酸化物）などの酸化亜鉛ベースのＴＣＯ、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）などの酸化錫ベースのＴＣＯが例示される。透明導電性酸化物は窒化物半導体より低い屈折率を有することから、透光性オーミック電極層１５を透明導電性酸化物で形成すると、ｐ型層１４と透光性オーミック電極層１５との界面は良質な反射面となる。

ボンディングパッド１６は、最下部に、発光層１３で生じる光に対する反射率の高い金属で形成された高反射層を有することが望ましい。窒化物系ＬＥＤの典型的な発光波長は３６０〜５００ｎｍであることから、高反射層に用いる好ましい金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈなどが例示される。Ｔｉ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒなどの元素が添加されたＡｌや、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｉｎ、Ｓｎなどの元素が添加されたＡｇも、高反射層の材料として好ましく使用できる。透光性オーミック電極層１６を透光性の高い透明導電性酸化物膜としたとき、高反射層の効果は特に顕著となる。

ボンディングパッド１６は、また、Ａｕ層のような、酸化し難い表面層を有することが望ましい。
ｎ側電極１８は、ｎ型層１２またはＧａＮ基板１１と接する部分を、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、ＣｒもしくはＶの単体、または、これらから選ばれる１種以上の金属を含む合金で形成することが好ましい。中でも、Ａｌは特に好ましい材料である。Ａｌは、Ｔｉ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒなどの添加元素を含んでいてもよい。また、ｎ側電極１８は、ｎ型層１２またはＧａＮ基板１１と接する部分に透明導電性酸化物膜、すなわち、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化亜鉛、ＡＺＯ、ＧＺＯ、酸化錫、ＦＴＯなどからなる透光性薄膜を有していてもよい。また、ｎ側電極１８は、Ａｕ層のような、酸化し難い表面層を有することが望ましい。

電流ブロック層１７は、絶縁性の無機材料で形成することができる。具体的な材料としては、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、スピネル、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムのような金属酸化物、あるいは、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、スピンオングラスのようなガラスが例示される。電流ブロック層１７は、好ましくは、ｐ型層１４よりも低い屈折率を有する、透光性薄膜である。

ＧａＮ基板１１の厚さは、エピタキシャル層の形成に使用する時点では４００μｍ以上であることが望ましいが、エピタキシャル層の形成後には、裏面にグラインディング加工、ラッピング加工、ポリッシング加工などを施すことによって、１００μｍ以下にまで減じ得る。
光取出し効率を改善するためには、ＧａＮ基板１１の裏面を粗面（textured surface）とすることが有効である。ＧａＮ基板１１の裏面は、ＫＯＨを用いたウェットエッチングあるいはＰＥＣによって粗化できる他、エッチングマスクを用いたドライエッチング加工
によって粗化することもできる。エッチングマスクはフォトリソグラフィ技法やレーザ干渉露光法を用いて所定の形状にパターニングされたものであってもよい。また、エッチングマスクは、メタル薄膜を加熱したときに自発的に生じるボールアップ現象や、非相容性のポリマーを混合したときに自発的に生じるミクロ相分離現象を利用して形成される、ナノマスクであってもよい。

粗化されたＧａＮ基板１１の裏面に電極を形成する必要がある場合、この電極は透明導電性酸化物で形成する。この電極をメタルで形成すると、強い光吸収体となるので好ましくない。
本発明は、本明細書に記載された実施形態に限定されない。

１０１、１０２、１０３、１０４ 窒化物系ＬＥＤ
１１ ＧａＮ基板
１２ ｎ型層
１３ 発光層
１４ ｐ型層
１５ 透光性オーミック電極層
１６ ボンディングパッド
１７ 電流ブロック層
１８ ｎ側電極

Claims (2)

1. ＧａＮ基板の上にｎ型層、発光層およびｐ型層を含む複数のエピタキシャル層が積層され、該ｐ型層は該複数のエピタキシャル層の最上層であり、該発光層は該ｎ型層と該ｐ型層との間に挟まれている窒化物系ＬＥＤにおいて、
   該ＧａＮ基板がストライプコア基板であり、
   該ｐ型層が、該ＧａＮ基板のストライプコアの直上に位置する高欠陥密度部と、該高欠陥密度部よりも欠陥密度の低い低欠陥密度部とを有しており、
   透光性オーミック電極層が、該ｐ型層の該高欠陥密度部上から該低欠陥密度部上にわたって形成されており、
   ボンディングパッドが、該透光性オーミック電極層上の一部に形成されており、
   該透光性オーミック電極層と該ｐ型層の該高欠陥密度部との間には電流ブロック層が設けられており、
   該ボンディングパッドは該電流ブロック層の上方に配置されていることを特徴とする、窒化物系発光ダイオード素子。
2. 上記透光性オーミック電極層が透明導電性酸化物で形成されている、請求項１に記載の窒化物系発光ダイオード素子。

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