JP2012511248A

JP2012511248A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2012511248A
Application number: JP2011539450A
Authority: JP
Inventors: テキムチャン; ヨンナムギ; ヒイテ
Original assignee: エピヴァレーカンパニーリミテッド
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2012-05-17
Also published as: CN102239577A; WO2010064870A2; KR101000277B1; WO2010064870A3; KR20100064050A

Abstract

本開示は、半導体発光素子に関し、より詳細には、電子と正孔の再結合により光を発生する半導体発光素子において、電子と正孔の再結合のための電流を供給する第１のボンディング電極及び第２のボンディング電極と、第１のボンディング電極から延びる第１の枝電極及び第２の枝電極と、第２のボンディング電極から延び、第１の枝電極と第２の枝電極との間で、第１の枝電極に対して第１の間隔をおき、第２の枝電極に対して第１の間隔より狭い第２の間隔をおいて位置する第３の枝電極とを含み、第２の枝電極は、第１の枝電極より発光素子の中心から遠くに位置し、第２の枝電極は、第３の枝電極より発光素子の中心からさらに遠くに位置することを特徴とする半導体発光素子に関する。

Description

本開示は、全体として半導体発光素子に関し、特に、電流拡散のための電極構造を有する半導体発光素子に関する。

ここで、半導体発光素子とは、電子と正孔の再結合により光を生成する半導体光素子を意味し、例えば３族窒化物半導体発光素子が挙げられる。３族窒化物半導体は、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（ｙ）Ｉｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる化合物からなる。その他にも、赤色発光に使用されるＧａＡｓ系半導体発光素子などが挙げられる。

ここでは、本開示に関する背景技術が提供されるが、これらが必ずしも公知技術を意味するものではない（This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art）。

図１は、従来の３族窒化物半導体発光素子の一例を示す図であり、３族窒化物半導体発光素子は、基板１００と、基板１００上に成長するバッファ層２００と、バッファ層２００上に成長するｎ型３族窒化物半導体層３００と、ｎ型３族窒化物半導体層３００上に成長する活性層４００と、活性層４００上に成長するｐ型３族窒化物半導体層５００と、ｐ型３族窒化物半導体層５００上に形成されるｐ側電極６００と、ｐ側電極６００上に形成されるｐ側ボンディングパッド７００と、ｐ型３族窒化物半導体層５００及び活性層４００がメサエッチングされて露出したｎ型３族窒化物半導体層３００上に形成されるｎ側電極８００と、保護膜９００とを含む。

基板１００は、同種基板としてＧａＮ系基板が用いられ、異種基板としてサファイア基板、ＳｉＣ基板又はＳｉ基板などが用いられるが、３族窒化物半導体層が成長できる基板であればいずれのタイプでもよい。ＳｉＣ基板が用いられた場合、ｎ側電極８００はＳｉＣ基板側に形成されてもよい。

基板１００上に成長する３族窒化物半導体層は、主にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）により成長する。

バッファ層２００は、異種基板１００と３族窒化物半導体との間の格子定数及び熱膨張係数の差を克服するためのものである。特許文献１には、サファイア基板上に３８０℃〜８００℃の温度で１００Å〜５００Åの厚さを有するＡｌＮバッファ層を成長させる技術が記載されている。特許文献２には、サファイア基板上に２００℃〜９００℃の温度で１０Å〜５０００Åの厚さを有するＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）バッファ層を成長させる技術が記載されている。特許文献３には、６００℃〜９９０℃の温度でＳｉＣバッファ層（シード層）を成長させ、その上にＩｎ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）層を成長させる技術が記載されている。ｎ型３族窒化物半導体層３００が成長する前に、ドーピングされないＧａＮ層が成長することが好ましく、これは、バッファ層２００の一部とみなしてもよく、ｎ型３族窒化物半導体層３００の一部とみなしてもよい。

ｎ型３族窒化物半導体層３００は、少なくともｎ側電極８００が形成された領域（ｎ型コンタクト層）に不純物がドーピングされ、ｎ型コンタクト層は、ＧａＮからなり、Ｓｉでドーピングされることが好ましい。特許文献４には、Ｓｉと他のソース物質の混合比を調節することにより所望のドーピング濃度でｎ型コンタクト層をドーピングする技術が記載されている。

活性層４００は、電子と正孔の再結合により光子（光）を生成する層であって、主にＩｎ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）からなり、単一量子井戸（single quantum well）又は多重量子井戸（multi quantum wells）で構成される。

ｐ型３族窒化物半導体層５００は、Ｍｇなどの適切な不純物でドーピングされ、活性化（activation）工程を経てｐ型導電性を有する。特許文献５には、電子ビームの照射によりｐ型３族窒化物半導体層を活性化する技術が記載されている。特許文献６には、４００℃以上の温度で熱処理（アニール）を行うことによりｐ型３族窒化物半導体層を活性化する技術が記載されている。特許文献７には、ｐ型３族窒化物半導体層成長の窒素前駆体としてアンモニアとヒドラジン系ソース物質を共に使用することにより、活性化工程を行うことなく、ｐ型３族窒化物半導体層にｐ型導電性を付与する技術が記載されている。

ｐ側電極６００は、ｐ型３族窒化物半導体層５００全体に電流を容易に供給するために備えられるものである。特許文献８には、ｐ型３族窒化物半導体層のほぼ全面にわたって形成され、ｐ型３族窒化物半導体層５００とオーミック接触し、ＮｉとＡｕとからなる透光性電極（light-transmitting electrode）に関する技術が記載されている。特許文献９には、ｐ型３族窒化物半導体層上にｎ型超格子層を形成し、その上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる透光性電極を形成する技術が記載されている。

一方、ｐ側電極６００は、光を透過させないように、すなわち光を基板側に反射するように、厚さを厚く形成することもできるが、このような技術をフリップチップ技術という。特許文献１０には、２０ｎｍ以上の厚さを有するＡｇ層と、Ａｇ層を覆う拡散防止層と、拡散防止層を覆うＡｕとＡｌとからなるボンディング層とを含む電極構造に関する技術が記載されている。

ｐ側ボンディングパッド７００及びｎ側電極８００は、電流の供給と外部へのワイヤボンディングのためのものであり、特許文献８には、ｎ側電極をＴｉとＡｌとから構成する技術が記載されている。

保護膜９００は、二酸化ケイ素などの物質で形成され、省略してもよい。

一方、ｎ型３族窒化物半導体層３００やｐ型３族窒化物半導体層５００は、単一層又は複数層で構成され、近年、レーザ又はウェットエッチングにより基板１００を３族窒化物半導体層から分離して垂直型発光素子を製造する技術が導入されている。

図２は、特許文献８に記載された電極構造の一例を示す図であり、ｐ側ボンディングパッド７００とｎ側電極８００を発光素子の対角コーナーに配置することにより、電流拡散を改善する技術が開示されている。

図３は、特許文献１１に記載された電極構造の一例を示す図であり、発光素子が大面積化するにつれて、ｐ側ボンディングパッド７１０、７１０とｎ側電極８１０、８１０との間に等間隔を有する枝電極９１０、９１０を備えることにより、電流拡散を改善する技術が開示されている。

しかし、このような電極構造を有する発光素子においては、ｐ側ボンディングパッド７１０とｎ側電極８１０との間の距離が近い領域Ｒに電流が集中することがあるという問題がある。

一方、ｐ側ボンディングパッド７１０又はｎ側ボンディングパッド８１０に接続されたワイヤにボンディング不良が発生した場合、発光素子の電流拡散が円滑に行われなくなることがあるという問題がある。

図４は、ワイヤボンディング不良が発生した半導体発光素子の写真の一例を示す図であって、図４の（ａ）は、４つのワイヤが正常にボンディングされた発光素子の発光を示す写真であり、図４の（ｂ）は、２つのワイヤが外れ、２つのワイヤが対角にボンディングされた発光素子の発光を示す写真であり、図４の（ｃ）は、２つのワイヤが外れ、２つのワイヤが一方向にのみボンディングされた発光素子の発光を示す写真である。ワイヤボンディング不良により均一に発光しないことが分かる。

このような問題を解消するために、２つのボンディングパッドが共に位置するように設けられる発光素子が導入されているが、反対側に位置するボンディングパッド間で電流集中が起こる問題を解消していない。

米国特許第５，１２２，８４５号明細書米国特許第５，２９０，３９３号明細書米国特許出願公開第２００６／１５４４５４号明細書米国特許第５，７３３，７９６号明細書米国特許第５，２４７，５３３号明細書米国特許第５，３０６，６６２号明細書米国特許出願公開第２００６／１５７７１４号明細書米国特許第５，５６３，４２２号明細書米国特許第６，５１５，３０６号明細書米国特許第６，１９４，７４３号明細書米国特許第６，３０７，２１８号明細書

これについては、「発明を実施するための形態」の末尾に記述する。

ここでは、本開示の全体的な要約（要旨）が提供され、これが本開示の範囲を制限するものと理解されてはならない（This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features）。

本開示の一態様によれば（According to one aspect of the present disclosure）、電子と正孔の再結合により光を発生する半導体発光素子において、電子と正孔の再結合のための電流を供給する第１のボンディング電極及び第２のボンディング電極と、前記第１のボンディング電極から延びる第１の枝電極及び第２の枝電極と、前記第２のボンディング電極から延び、前記第１の枝電極と前記第２の枝電極との間で、前記第１の枝電極に対して第１の間隔をおき、前記第２の枝電極に対して前記第１の間隔より狭い第２の間隔をおいて位置する第３の枝電極とを含み、前記第２の枝電極は、前記第１の枝電極より発光素子の中心から遠くに位置し、前記第２の枝電極は、前記第３の枝電極より前記発光素子の中心からさらに遠くに位置することを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本開示の他の態様によれば（According to another aspect of the present disclosure）、電子と正孔の再結合により光を発生する半導体発光素子において、電子と正孔の再結合のための電流を供給する第１のボンディング電極及び第２のボンディング電極であって、前記第１のボンディング電極及び前記第２のボンディング電極の少なくとも一方が２つのボンディングパッドを備える第１のボンディング電極及び第２のボンディング電極と、前記第１のボンディング電極から延びる第１の枝電極及び第２の枝電極と、前記第２のボンディング電極から延び、前記第１の枝電極と前記第２の枝電極との間で、前記第１の枝電極に対して第１の間隔をおき、前記第２の枝電極に対して前記第１の間隔より狭い第２の間隔をおいて位置する第３の枝電極とを含むことを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本開示の１つの半導体発光素子によれば、電流集中を改善することができる。
本開示の他の半導体発光素子によれば、ワイヤボンディング不良時に電流集中を改善することができる。

従来の３族窒化物半導体発光素子の一例を示す図である。特許文献８に記載された電極構造の一例を示す図である。特許文献１１に記載された電極構造の一例を示す図である。ワイヤボンディング不良が発生した半導体発光素子の写真の一例を示す図である。本開示による半導体発光素子における電極構造の一例を示す図である。本開示による半導体発光素子の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本開示を詳細に説明する（The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawings）。

図５は、本開示による発光素子における電極構造の一例を示す図であり、電極構造は、ボンディングパッド７０、８０及び枝電極９１、９２、９３、９４を備える。

ボンディングパッド７０、８０には電流が供給される。ボンディングパッド７０、８０に電流が供給されると、ボンディングパッド７０、８０間で電流が均一に拡散せず、集中する領域（以下、集中領域Ｒという）が発生することがある。ここで、集中領域Ｒは、ボンディングパッド７０とボンディングパッド８０の間の直線距離上に位置することが多いが、本開示における集中領域Ｒとは、ボンディングパッド７０とボンディングパッド８０の間の直線距離上に位置する領域Ｒ１に限定されるものではなく、周辺に比べて相対的に電流が集中する領域を意味する。すなわち、領域Ｒ１は領域Ｒ２に比べて集中領域Ｒとなり、領域Ｒ２は領域Ｒ３に比べて集中領域Ｒとなることがある（図５の（ａ）参照）。つまり、集中領域Ｒは、領域Ｒ１内でも電流分布が相対的に変化することによって形成されることがある。

枝電極９１は、ボンディングパッド７０と接続され、集中領域Ｒに位置する。枝電極９２は、ボンディングパッド８０と接続され、枝電極９１から間隔Ｇ１をおいて位置する。枝電極９３は、枝電極９１と接続され、枝電極９２から間隔Ｇ２をおいて位置する。ここで、間隔Ｇ１は間隔Ｇ２より広い（図５の（ｂ）参照）。これにより、集中領域Ｒが緩和又は解消されるが、枝電極９２と枝電極９３は、集中領域Ｒの緩和又は解消がより有効になるように、枝電極９１から順次配列されることが好ましい。

図５の（ｃ）を参照すると、枝電極９４は、枝電極９３から間隔Ｇ１より狭い間隔Ｇ３をおいて位置するが、間隔Ｇ３は間隔Ｇ２より狭いことが好ましい。これは、枝電極９１と枝電極９２との間隔Ｇ１と、枝電極９２と枝電極９３との間隔Ｇ２の関系が、間隔Ｇ２と間隔Ｇ３にも適用されるからである。

図６は、本開示による半導体発光素子の一例を示す図であり、発光素子は、ボンディングパッド７０、８０及び枝電極９１、９２、９３、９４、９５を備える。ここでは、横１ｍｍ、縦１ｍｍのサイズを有する発光素子を例に挙げる。

ボンディングパッド７０及びボンディングパッド８０は、電子と正孔の再結合により活性層（図１参照）が発光するように電流を供給する。ボンディングパッド７０及びボンディングパッド８０は、発光素子の一面に離隔して位置する。ボンディングパッド７０は、２つの円形のパッド７２、７４が当接して形成される。一方、ボンディングパッド７０は、２つの円形のパッド７２、７４が離れて位置し、２つのパッド７２、７４が枝電極９１、９３、９５により接続されるように形成してもよい。また、ボンディングパッド８０は、ボンディングパッド７０と同様に形成してもよい。一方、パッド７２、７４、８２、８４は、楕円形や多角形など様々な形状に形成することができる。

枝電極９１は、ボンディングパッド７０からボンディングパッド８０に向かって延びるが、これは、枝電極９１が図５を参照して説明した集中領域Ｒに位置することを意味する。

枝電極９２は、枝電極９１から間隔Ｇ１をおいて位置する。例えば、枝電極９２は、枝電極９１から約１２８μｍの間隔Ｇ１をおいて位置し、電流拡散が円滑に行われるように、ボンディングパッド８０からボンディングパッド７０に向かって延び、その後両側に分岐し、全体として枝電極９１を抱える形状に折り曲げられて延長される。

枝電極９３は、枝電極９２から間隔Ｇ１より狭い間隔Ｇ２をおいて位置する。例えば、枝電極９３は、枝電極９２から約８９μｍの間隔Ｇ２をおいて位置し、電流拡散が円滑に行われるように、枝電極９１から両側に分岐し、全体として枝電極９２を抱える形状に折り曲げられて延長される。

枝電極９４は、枝電極９３から間隔Ｇ３をおいて位置する。間隔Ｇ３は、間隔Ｇ１より狭く、図５を参照して説明したように、間隔Ｇ２より狭いことが好ましい。例えば、枝電極９４は、枝電極９３から約８０μｍの間隔Ｇ３をおいて位置し、電流拡散が円滑に行われるように、枝電極９２から両側に分岐し、全体として枝電極９３を抱える形状に折り曲げられて延長される。

枝電極９５は、例えば、枝電極９４から約８９μｍの間隔Ｇ４をおいて位置し、間隔Ｇ４は、電流集中の程度に応じて間隔Ｇ３より広くしても狭くしてもよい。

枝電極９２、９３、９４、９５には、環状の拡張部ｅが形成されている。拡張部ｅを介して周囲に電流が拡散することにより、電流拡散をさらに改善することができる。

以下、本開示の様々な実施形態について記述する。
（１）異なる間隔をおいて位置する複数の枝電極を備える半導体発光素子。これにより、電流集中を改善することができる。

（２）複数のワイヤをボンディング可能な電極を備える半導体発光素子。これにより、電極にワイヤボンディング不良が発生しても電流集中を改善することができる。

（３）電子と正孔の再結合のための電流を供給する第１のボンディング電極及び第２のボンディング電極と、前記第１のボンディング電極から延びる第１の枝電極及び第２の枝電極と、前記第２のボンディング電極から延び、前記第１の枝電極と前記第２の枝電極との間で、前記第１の枝電極に対して第１の間隔をおき、前記第２の枝電極に対して前記第１の間隔より狭い第２の間隔をおいて位置する第３の枝電極とを含み、前記第２の枝電極は、前記第１の枝電極より発光素子の中心から遠くに位置し、前記第２の枝電極は、前記第３の枝電極より前記発光素子の中心からさらに遠くに位置し、前記第１のボンディング電極及び前記第２のボンディング電極の少なくとも一方は、前記発光素子の一側でその中央部に位置することを特徴とする半導体発光素子。これにより、発光素子の中央部から周辺に電流を拡散させることができる。

Claims

電子と正孔の再結合により光を発生する半導体発光素子において、
電子と正孔の再結合のための電流を供給する第１のボンディング電極及び第２のボンディング電極と、
前記第１のボンディング電極から延びる第１の枝電極及び第２の枝電極と、
前記第２のボンディング電極から延び、前記第１の枝電極と前記第２の枝電極との間で、前記第１の枝電極に対して第１の間隔をおき、前記第２の枝電極に対して前記第１の間隔より狭い第２の間隔をおいて位置する第３の枝電極とを含み、
前記第２の枝電極は、前記第１の枝電極より発光素子の中心から遠くに位置し、
前記第２の枝電極は、前記第３の枝電極より前記発光素子の中心からさらに遠くに位置することを特徴とする半導体発光素子。
前記第１のボンディング電極及び前記第２のボンディング電極の少なくとも一方は、２つのボンディングパッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第１のボンディング電極及び前記第２のボンディング電極の少なくとも一方は、前記発光素子の一側でその中央部に位置することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第１のボンディング電極と前記第２のボンディング電極とは、対向して位置することを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
前記第１の枝電極は、前記第２のボンディング電極に向かって延びることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第２のボンディング電極から延び、前記第２の枝電極に対して前記第２の間隔より狭い第３の間隔をおいて位置する第４枝電極をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記第１のボンディング電極及び前記第２のボンディング電極の少なくとも一方は、前記発光素子の一側でその中央部に位置し、
前記第１のボンディング電極と前記第２のボンディング電極とは、対向して位置し、
前記第１の枝電極は、前記第２のボンディング電極に向かって延びることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
前記第２のボンディング電極から延び、前記第２の枝電極に対して前記第２の間隔より狭い第３の間隔をおいて位置する第４枝電極をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
前記発光素子が３族窒化物半導体発光素子であることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
電子と正孔の再結合により光を発生する半導体発光素子において、
電子と正孔の再結合のための電流を供給する第１のボンディング電極及び第２のボンディング電極であって、前記第１のボンディング電極及び前記第２のボンディング電極の少なくとも一方が２つのボンディングパッドを備える第１のボンディング電極及び第２のボンディング電極と、
前記第１のボンディング電極から延びる第１の枝電極及び第２の枝電極と、
前記第２のボンディング電極から延び、前記第１の枝電極と前記第２の枝電極との間で、前記第１の枝電極に対して第１の間隔をおき、前記第２の枝電極に対して前記第１の間隔より狭い第２の間隔をおいて位置する第３の枝電極と
を含むことを特徴とする半導体発光素子。