JP2014093480A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体発光素子1は、n型半導体層4とp型半導体層6とが順に積層された半導体構造体3と、p型半導体層6上に設けられた透光性導電膜12と、透光性導電膜12上に設けられ、透光性導電膜12を露出する第1貫通孔21及び第2貫通孔22を有する絶縁膜20と、絶縁膜20上に設けられ、第1貫通孔21を介して透光性導電膜12と電気的に接続されたp側電極層32と、絶縁膜20上に設けられ、第2貫通孔22を介して透光性導電膜12と接触する保護膜40と、を有し、保護膜40は、p側電極層32の一部を被覆する。
【選択図】図2
Description
特許文献1に記載の半導体発光素子は、透光性導電膜に貫通孔を設けることで、最表面の金属電極層とp型半導体層との密着性を高めることができるが、p側電極と半導体発光素子の保護膜との密着力を高めるために、さらなる改良が必要であった。
ここで、第1貫通孔内では電気が流れるが、第2貫通孔内では、透光性導電膜が保護膜と接触しているので電気が流れない。かかる構成によれば、半導体発光素子は、電気が流れない第2貫通孔を矩形の周辺や、矩形の隅部に設けることで、半導体構造体における電流の拡散を阻害しないようにすることができる。
また、本発明に係る半導体発光素子は、前記絶縁膜が多層膜からなることが好ましい。
また、本発明に係る半導体発光素子は、前記絶縁膜が前記多層膜の内部に金属膜を有することが好ましい。かかる構成によれば、半導体構造体からの光が絶縁膜で反射し、基板側から光を効率よく取り出すことができる。
[半導体発光素子の構造の概要]
図1から図3を参照して、本発明の第1実施形態に係る半導体発光素子1の構造の概要について説明する。なお、図2〜8では、分かり易くするために符号2,4,5,6,252には、断面を示すハッチングを記載していない。
本発明の第1実施形態に係る半導体発光素子1は、構造が複雑なので、図4から図8を順次参照(適宜図1参照)して詳細に説明する。
具体的には、第2貫通孔22において、p型半導体層6の側から、透光性導電膜12/保護膜40/pパッド電極52、の順番に積層されている。つまり、絶縁膜20の第2貫通孔22が設けられた領域において、透光性導電膜12とpパッド電極52とは保護膜40によって絶縁されているため、非導通部62(図2参照)になっている。
また、第1貫通孔21において、p型半導体層6の側から、透光性導電膜12/p側電極層32/保護膜40/pパッド電極52、の順番に積層されている。つまり、導通部61(図2参照)において、p側電極層32が透光性導電膜12と導通するために、絶縁膜20が貫通した状態となっている。
保護膜40は、絶縁膜20の上面でp側電極層32が被覆していない領域と、p側電極層32の上面とに連続的に形成されているが、p型半導体層6上に開口を有している。具体的には、p側開口42の箇所において、pパッド電極52がp側電極層32と導通するために、保護膜40が貫通した状態となっている。
保護膜40は、絶縁膜20の上面でp側電極層32が被覆していない領域と、p側電極層32の上面とに連続的に形成されている。
保護膜40は、絶縁膜20の上面でp側電極層32が被覆していない領域と、p側電極層32の上面とに連続的に形成されているが、p型半導体層6上に開口を有している。具体的には、p側開口42の箇所において、pパッド電極52がp側電極層32と導通するために、保護膜40が貫通した状態となっている。
以下、図1および図2に示す半導体発光素子1における各構成部材について詳述する。
基板2の材料には、半導体構造体3に例えば窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合に好適な材料が用いられる。このような基板材料としては、サファイア、スピネル、SiC、Si、ZnOやGaN単結晶等が挙げられる。中でも結晶性の良い窒化ガリウムを量産性良く形成させるためにはサファイア基板を用いることが好ましい。基板2には、半導体構造体3が積層される面(電極側の面)に凹凸が形成されている。この凹凸により半導体構造体3からの光を散乱または回折させて光取り出し効率を高めることができる。
半導体構造体3において、第1半導体層であるn型半導体層4と、第2半導体層であるp型半導体層6とのうちの一方または双方を複数の半導体層で構成することもできる。また、活性層5も単層であっても多層であってもよい。したがって、例えば、n型半導体層4およびp型半導体層6をそれぞれ、コンタクト層、クラッド層等の必要な機能に対応させた複数の層で構成することができ、用途に応じた発光特性を実現することができる。
n型半導体層4のコンタクト層としては、例えば、Siドープのn型GaN層が挙げられる。n型半導体層4のクラッド層としては、例えば、Siドープのn型AlGaN層が挙げられる。
p型半導体層6のコンタクト層としては、例えば、Mgドープのp型GaN層が挙げられる。p型半導体層6のクラッド層としては、例えば、Mgドープのp型AlGaN層が挙げられる。
活性層5は、InGaN層、GaNとInGaNとの単一又は多重量子井戸層、InGaN障壁層とその層とは組成比の異なるInGaN井戸層からなる単一又は多重量子井戸層等である。
透光性導電膜11は、n型半導体層4の上に設けられ、オーミック電極として機能する。透光性導電膜11は、金属、合金または導電性の酸化物からなる薄膜で形成されている。例えば、n型半導体層4側から順にNi、Auを積層した金属薄膜、Ni、Auの合金の薄膜等を用いることができる。金属層や合金層の場合、薄膜で形成することにより透光性を確保することができる。
導電性の酸化物(酸化物半導体)としては、亜鉛、インジウム、スズ、ガリウムおよびマグネシウムからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む導電性の酸化物膜が挙げられる。具体的には、錫を含む酸化インジウム(Indium Tin Oxide;ITO)、ZnO、インジウムを含む酸化亜鉛(Indium Zinc Oxide;IZO)、ガリウムを含む酸化亜鉛(Gallium-doped Zinc Oxide;GZO)、In2O3またはSnO2等が挙げられる。特に導電性の酸化物については、導電性と透光性の観点からITOが最も好ましい。
透光性導電膜12は、p型半導体層6の上に設けられ、オーミック電極として機能する。透光性導電膜12の材料は、透光性導電膜11と同様である。透光性導電膜12は、例えばITO等で形成されている。
<下地層24>
下地層24は、DBR25の下地となる層である。下地層24は、絶縁膜からなるものであって、特に酸化膜からなるものが好ましい。酸化膜としては、Nb2O5、TiO2、SiO2、Al2O3、ZrO2等が挙げられる。このような絶縁膜は、例えば、スパッタリング法、ECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴)スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法、ECR−CVD法、ECR−プラズマCVD法、蒸着法、EB法(Electron Beam:電子ビーム蒸着法)等の公知の方法で形成することができる。
DBR25は、図3に示すように、低屈折率層251と高屈折率層252とからなる1組の誘電体を、複数組にわたって積層させた多層構造であり、所定の波長光を選択的に反射するものである。具体的には屈折率の異なる膜を1/4波長の厚みで交互に積層し、所定の波長を高効率に反射できる。材料膜としては、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より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ものが好ましい。
金属膜26は、絶縁膜20の中に含まれており、電流を流さないことを前提としている。金属膜26は、例えば、AlやAg等の反射率の高い金属や合金で形成される。Al単体の場合、高出力の素子とすることができる。Al合金の場合、Alと、例えばCu、Ag、Pt等の白金族系の金属との合金を用いることができる。中でもAlとCuの合金(AlCu)は、Alのマイグレーションを抑制することができ、高信頼性の素子とすることができる。このような金属膜26は、例えば、スパッタリング法等の公知の方法で形成することができる。また、金属膜26は単層でもよいが、AlやAg等の反射率の高い金属や合金の上に、後述するキャップ層27との密着の効果又はAlやAgの腐食防止の効果を有する材料を設けた多層構造としてもよい。例えば、Al合金/Tiの2層構造、Al合金/SiO2/Tiの3層構造とすることができる。このときTiは、Al合金と後述するキャップ層27との密着層又はAlの腐食防止膜として機能する。
キャップ層27は、金属膜26を覆って保護する層である。キャップ層27は、下地層24と同様に例えばSiO2等の酸化膜からなる。なお、キャップ層27の材料は、下地層24の材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
絶縁膜20は、第1貫通孔21、第2貫通孔22、第3貫通孔23を備えている(図12参照)。図12には、一例として8行10列の略格子状に貫通孔を設け、このうち、左上と左下の2箇所は第2貫通孔22とし、残りを第1貫通孔21としている。第1貫通孔21および第2貫通孔22の個数や配置は、これに限定されるものではない。第3貫通孔23は、凹部7の長手方向に沿った溝であり、凹部7の底面よりも狭小に形成されている。
n側電極層31は、透光性導電膜11とnパッド電極51との間に設けられた金属からなる電極層であり、Ti、Rh、Pt、Ru、Au等の材料を用いることができる。n側電極層31は、透光性導電膜11側から順に、例えばTi、Rh、Tiが積層されてなる。n側電極層31を構成する材料は、n型半導体層4とオーミック接触することができる材料であれば、他の金属を組み合わせた積層物、合金等、他の材料を用いることもできる。なお、変形例として、透光性導電膜11を介在させずにn側電極層31をn型半導体層4に直接接触させるようにしてもよい。
p側電極層32は、透光性導電膜12とpパッド電極52との間に設けられた金属からなる電極層である。p側電極層32は、透光性導電膜12の上に設けられている。p側電極層32の材料は、n側電極層31と同様である。p側電極層32は、透光性導電膜12側から順に、例えばTi、Rh、Tiが積層されてなる。
保護膜40は、半導体発光素子1の表面を覆って保護するものである。保護膜40は、絶縁膜からなるものであって、特に窒化膜や酸化膜からなるものが好ましい。さらには酸化膜からなるものがより好ましい。保護膜40は、例えば、SiO2やZr酸化膜(ZrO2)、SiN、Al酸化膜(Al2O3)、酸化ニオブ(Nb2O5)等からなる。保護膜40は、下地層24と同様の方法で形成することができる。保護膜40は、単層でもよいが、上記窒化膜や酸化膜の多層構造であってもよい。
保護膜40は、貫通孔41,42を備えている(図2および図14参照)。保護膜40のn側開口(貫通孔)41は、その上のnパッド電極51が形成される位置において、凹部7に設けられたn側電極層31の一部分を露出できる程度に小さく作製されている。
保護膜40のp側開口(貫通孔)42は、その上のpパッド電極52が形成される位置において、n側電極層31に近い部分(素子中央に近い部分)に設けられている。このような位置に形成することで、半導体構造体3における電流の拡散を阻害しないようにすることができる。p側開口42は、抵抗が小さくなるようにできるだけ大きく作製されている。図14に示したp側開口42の大きさは一例であり、図示した半分以下の大きさでも構わない。
nパッド電極51は、半導体発光素子1を実装するときのn側の最表面となる電極層であり、n側電極層31と電気的に接続されている。nパッド電極51は、例えば、n側電極層31側から順にTi、Pt、Auが積層されてなる。または、nパッド電極51は、例えば、n側電極層31側から順にTi、Ni、Auを積層するようにしてもよい。
nパッド電極51とpパッド電極52は、図1に示すように、縦長の矩形の形状であるが、nパッド電極51には切欠部53が形成されている。切欠部53は、カソード(n側電極)のマークの役割を果たしている。
pパッド電極52は、半導体発光素子1を実装するときのp側の最表面となる電極層であり、p側電極層32と電気的に接続されている。pパッド電極52は、例えば、p側電極層32側から順にTi、Pt、Au等が積層されてなる。pパッド電極52は、nパッド電極51と同様の積層構造であってもよい。
本発明に係る半導体発光素子1を製造する方法について図9ないし図15を参照(適宜図1ないし図3参照)して説明する。実際に大量生産する際には、大判の基板の上に多数の半導体発光素子1をマトリクス状に配列して製造し、大判の基板をダイシングラインで切断して各素子に個片化する。図9ないし図15は、説明のため半導体発光素子1に着目して本願発明の製造工程を示す模式的な平面図である。
また、第1実施形態の半導体発光素子1は、p型半導体層6上に、nパッド電極51とpパッド電極52との双方が配置された構造であり、従来の単純構造に比べて、フェイスダウン実装される際の接合領域が大きいため、接合強度・精度、放熱性を向上させることができる。
図16(a)は、本発明の第2実施形態に係る半導体発光素子を電極面側から見た平面図である。半導体発光素子1Aには、電極面側の最表面(実装面)に、pパッド電極52Aとnパッド電極51Aと、が設けられている。
pパッド電極52Aには、素子の隅部の位置に、非導通部111と、導通部112とが設けられている。非導通部111の下には、第2貫通孔22が形成されており、導通部112の下には、第1貫通孔21が形成されている。
nパッド電極51Aには、素子の隅部の位置に、非導通部113と、導通部114とが設けられている。非導通部113の下には、第2貫通孔22が形成されており、導通部114の下には、第1貫通孔21が形成されている。
つまり、半導体発光素子1Aは、2つの第2貫通孔22が、電極面側から見た矩形の上辺の2つの隅部にそれぞれ設けられている。
図16(b)は、本発明の第3実施形態に係る半導体発光素子を電極面側から見た平面図である。半導体発光素子1Bには、電極面側の最表面(実装面)に、pパッド電極52Bとnパッド電極51Bと、が設けられている。
pパッド電極52Bには、素子の隅部の位置に、非導通部121と、導通部122とが設けられている。非導通部121の下には、第2貫通孔22が形成されており、導通部122の下には、第1貫通孔21が形成されている。
nパッド電極51Bには、素子の隅部の位置に、導通部123と、非導通部124とが設けられている。導通部123の下には、第1貫通孔21が形成されており、非導通部124の下には、第2貫通孔22が形成されている。
つまり、半導体発光素子1Bは、2つの第2貫通孔22が、電極面側から見た矩形の対角の隅部にそれぞれ設けられている。
図16(c)は、本発明の第4実施形態に係る半導体発光素子を電極面側から見た平面図である。半導体発光素子1Cは、電極面側の最表面(実装面)に、pパッド電極52Cとnパッド電極51Cと、が設けられている。
pパッド電極52Cには、素子の隅部の位置に、2つの非導通部131,132が設けられている。非導通部131,132の下には、第2貫通孔22が形成されている。
nパッド電極51Cには、素子の隅部の位置に、2つの非導通部133,134が設けられている。非導通部133,134の下には、第2貫通孔22が形成されている。
つまり、半導体発光素子1Cには、4つの第2貫通孔22が、電極面側から見た矩形の隅部にそれぞれ設けられている。
図16(d)は、本発明の第5実施形態に係る半導体発光素子を電極面側から見た平面図である。半導体発光素子1Dは、電極面側の最表面(実装面)に、pパッド電極52Dとnパッド電極51Dと、が設けられている。
pパッド電極52Dは、素子の隅部の位置に、2つの導通部141,142が設けられており、nパッド電極51Dは、素子の隅部の位置に、2つの導通部143,144が設けられている。導通部141〜144の下には、第1貫通孔21が形成されている。
pパッド電極52Dは、素子の周辺において隅部と隅部との間の位置に、非導通部145が設けられている。非導通部145は、導通部141と導通部142との中点に位置している。非導通部145の下には、第2貫通孔22が形成されている。つまり、半導体発光素子1Dには、第2貫通孔22が、電極面側から見た矩形の周辺において、隅部ではなく、隅部と隅部との間に設けられている。
第2貫通孔22は、矩形の周辺に、複数個設けてもよい。矩形の周辺は、nパッド電極51の側であってもよいが前記した理由により、pパッド電極52の側のみに設けることが好ましい。第2貫通孔22を矩形の周辺において隅部と隅部との間および隅部に設けてもよい。
電極面側から見た素子形状が矩形以外の円または多角形の場合、素子の周辺とは、円または多角形の外側の線を表し、この線の内側の所定位置に第2貫通孔22が設けられる。
p側電極層32とn側電極層31との間にある、p型半導体層6とn型半導体層4との段差部では、電流密度が大きい傾向にある。そのため、第2貫通孔22の位置は、p型半導体層6から露出されたn型半導体層4(凹部7)から離れて電流拡散に実質的に影響を与えない位置であれば、素子の周辺や隅部の位置でなくてもよい。
図17は、本発明の第6実施形態に係る半導体発光素子を電極面側から見た平面図である。図17に示すように、半導体発光素子1Eは、nパッド電極51Eと、pパッド電極52Eとを備えている。pパッド電極52Eは、p型半導体層6上にだけ形成されており、凹部7には形成されていない点が図1および図2に示した半導体発光素子1とは異なっている。この場合、パッド電極用の材料を低減しつつ第1実施形態の半導体発光素子1と同様の効果を奏することができる。
2 基板
3 半導体構造体
4 n型半導体層(第1半導体層)
5 活性層
6 p型半導体層(第2半導体層)
7 凹部
11,12 透光性導電膜
20 絶縁膜
21 第1貫通孔
22 第2貫通孔
23 第3貫通孔
24 下地層
25 DBR(分布ブラッグ反射器)
251 低屈折率層
252 高屈折率層
26 金属膜
27 キャップ層
31 n側電極層(第1電極)
32 p側電極層(第2電極)
33 アンカー用開口(貫通孔)
40 保護膜
41 n側開口(貫通孔)
42 p側開口(貫通孔)
51,51A,51B,51C,51D,51E nパッド電極(第1パッド電極)
52,52A,52B,52C,52D,52E pパッド電極(第2パッド電極)
53 切欠部
61 導通部
62 非導通部
Claims (8)
- 第1半導体層と第2半導体層とが順に積層された半導体構造体と、
前記第2半導体層上に設けられた透光性導電膜と、
前記透光性導電膜上に設けられ且つ前記透光性導電膜を露出する第1貫通孔及び第2貫通孔を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に設けられ且つ前記第1貫通孔を介して前記透光性導電膜と電気的に接続された電極と、
前記絶縁膜上に設けられ且つ前記第2貫通孔を介して前記透光性導電膜と接触する保護膜と、を有し、
前記保護膜は、前記電極の一部を被覆することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記半導体発光素子は矩形であり、
前記第2貫通孔を、前記半導体発光素子の周辺に設けた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貫通孔の平均直径が5μm以上15μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 前記第2半導体層の上方に前記電極と電気的に接続されたパッド電極を有し、
前記パッド電極が、前記保護膜を介在させて前記第2貫通孔上に設けられることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 前記電極は第2電極であり、前記パッド電極は第2パッド電極であり、
前記第2半導体層から露出された第1半導体層上に設けられた第1電極と、
前記第1電極上に設けられ且つ前記第1電極と電気的に接続された第1パッド電極とを有し、
前記絶縁膜は、前記第1電極と前記第2電極との間において前記半導体構造体を覆い、
前記第1パッド電極は、前記保護膜を介して前記第2電極上に延在していることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子。 - 前記電極は第2電極であり、前記パッド電極は第2パッド電極であり、
前記第2半導体層から露出された第1半導体層上に設けられた第1電極と、
前記第1電極上に設けられ且つ前記第1電極と電気的に接続された第1パッド電極とを有し、
前記第2貫通孔は、前記第2パッド電極の下部のみに設けられていることを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子。 - 前記絶縁膜は、多層膜からなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁膜は、前記多層膜の内部に金属膜を有することを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子。
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