JP4285214B2 - 発光ダイオード素子 - Google Patents

Description

本発明は、照明、表示等に使用される発光ダイオード素子に関する。

近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の化合物半導体を用いて、可視光（青色〜青緑色）あるいは紫外域の電磁波を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）素子が開発され、従来から在る、ＡｌＩｎＧａＰ系化合物半導体等のＬＥＤ素子による緑色、赤色と合わせ、ＬＥＤ素子による三原色（ＲＧＢ）発光の実現をみた。また、ＧａＮ系化合物半導体ＬＥＤ素子を、その発光波長の少なくとも一部を吸収し、異なる波長の光に変換する蛍光体と組み合わせることにより、白色を含め、ＬＥＤ素子本来の発光色とは異なる色合いの光を出すことができる発光素子の開発もなされた。

これらのＬＥＤ素子には、小型、軽量、省電力といった長所があり、信号灯や各種表示用光源、大型ディスプレイ等の用途に用いられている。白色ＬＥＤの用途としては小型電球の代替光源、あるいは携帯電話等の液晶パネル用光源等として広く用いられている。

現在流布しているＬＥＤ素子は、定格電流２０〜３０ｍＡのものが主流であるが、最近になって、一般照明用途への展開を目指し、ＬＥＤ素子１個あたりの光出力を向上させるため、従来に比べて桁違いに高い電力を素子に注入する試みがなされている。

ところで、特にＧａＮ系化合物半導体ＬＥＤ素子に顕著であるが、一般に化合物半導体結晶中には転位欠陥が存在する。この転位欠陥は、もともと下地の基板結晶の表面にあったものが、半導体結晶層内に引き継がれたり、基板結晶と化合物半導体結晶との格子不整合が原因となって半導体結晶中で新たに発生したものである。この転位欠陥は、半導体結晶層を成長させる過程で自然消滅することはなく、成長を終えた半導体結晶層の最表面まで到達して貫通転位欠陥となる。転位欠陥の内部は、結晶中の非欠陥部位に比べて原子の拡散係数が大きいと推定される。通常、半導体結晶層の表面には金属層を形成させて電極部とするが、そのような金属が半導体層の表面から貫通転位欠陥内部へ拡散していき、リーク電流が増加することが、ＬＥＤ素子劣化の主要な原因と考えられている。

現在のＬＥＤ素子の主流である、定格電流２０〜３０ｍＡクラスのものでは、素子自身は４万時間を越える長寿命であると推定されている。しかし、一般照明用途を目指し、従来に比べて桁違いの高電力を素子に注入した場合には、ＬＥＤ素子の放熱を促進する手段を講じない限り、ＬＥＤ素子の温度が大きく上昇する。一般に、原子の拡散速度は温度とともに増加するので、電極部を構成する金属原子の貫通転位欠陥内への拡散速度が増大し、リーク電流が早期に増大することが危惧される。従って、従来に比較して高い電力をＬＥＤ素子に注入し、高温条件の下に使用した場合には、リーク電流の早期増大による寿命の低下が課題となる。そこで、酸化絶縁層を設けることでリーク電流を抑制することが知られている（特許文献１参照）。
特開平９−２９３９３６号公報

しかしながら、上記公報に示された技術においても、依然としてリーク電流防止が十分ではなく、より一層の改善が望まれていた。
本発明は、上記課題に鑑みて成されたもので、従来よりも高温条件での使用に耐えることができ、従来に比べて寿命の低下が生じない発光ダイオード素子を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、基板結晶と、この基板結晶上に形成された第１導電型の半導体結晶層と、この第１導電型の半導体結晶層上に形成された活性層と、この活性層の上に形成された第２導電型の半導体結晶層と、を有する発光ダイオード素子において、前記第２導電型結晶層の活性層とは反対側の表面に貫通転位欠陥が露出し、前記貫通転位欠陥の内表面は、第１導電型半導体層に到達する大きさを有するエッチピットであり、前記エッチピットの表面上に光透過性を有する絶縁性材料の層が形成され、さらに、前記絶縁性材料の上に金属層が形成されることにより、光反射構造が形成されている。

請求項２の発明は、請求項１記載の発光ダイオード素子において、貫通転位欠陥の密度が高い領域と低い領域が選択的に形成され、前記密度の高い領域に前記光反射構造が形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、貫通転位欠陥付近の第２導電型半導体結晶層にオーミックコンタクト性の材料が接触していないので、貫通転位欠陥付近を電流が流れない。従って、点灯時間の増加に伴う、貫通転位欠陥付近のリーク電流の増加を抑えることができ、発光素子の寿命を向上させることができる。また、従来よりも高温での使用に耐える発光素子を提供できる。

同請求項の発明によれば、被覆材料自身が絶縁性であるため、たとえ貫通転位欠陥内に絶縁性材料が拡散してもリーク電流の増加につながることがない。従って、発光素子の寿命を向上させることができる。また、従来よりも高温での使用に耐えるＬＥＤ素子を提供できる。

同請求項の発明によれば、光反射構造がエッチピット上に形成されていることにより、活性層から放射された光のうち、活性層と平行な方向へ伝播する光が、効率的に光取り出し面側へ反射され、ＬＥＤ素子の光取り出し率が向上する効果がある。

請求項２の発明によれば、貫通転位欠陥密度の小さい領域は、貫通転位欠陥密度の大きい領域に比べて光出力が大きい。そこで、貫通転位欠陥密度の高い領域に光反射構造を形成すれば、貫通転位欠陥密度の低い領域で発生した光が、その近傍にある光反射構造によって、効率的に光取り出し面側へ反射されるので、光効率が大きく向上する。

＜実施形態１＞
図１に、実施形態１に係る発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤ素子という）の概略断面を示す。ＬＥＤ素子は、基板結晶１（サファイアなど）と、基板結晶１上に形成した第１導電型半導体結晶層２（ＳｉをドープしたＮ型ＧａＮなど）と、第１導電型半導体結晶層２上に形成した活性層３と、この活性層３の上に形成された第２導電型半導体結晶層４（ＭｇをドープしたＰ型ＧａＮなど）と、導電層６（本実施例ではＴｉ)と、この導電層６上に構成された１層または複数層の金属層からなる第１電極部７（本実施例ではＡｕ層のみ）と、第２導電型半導体結晶層４に対して非オーミックコンタクト性材料の被覆部１３（ここでは、Ａｌ）と、導電層５（本実施例ではＮｉ）と、この導電層５上に構成された１層または複数の金属層からなる第２電極部８（本実施例ではＡｕ層のみ）とから成る。

上記活性層３は、例えば、ＧａＮ/ＩｎＧａＮを８層積み重ねた多量子井戸構造で成る。導電層６は、第２導電型半導体結晶層４、及びその下地の活性層３の一部が除去されて露出した第１導電型半導体結晶層２の表面に、第１導電型半導体結晶層２に対してオーミックコンタクト性がある材料で形成されている。被覆部１３は、本発明の特徴とする構成であり、第２導電型半導体結晶層４の貫通転位欠陥１１の内表面１２及びその周囲を被覆する、第２導電型半導体結晶層４に対して非オーミックコンタクト性材料でなるものである。導電層５は、Ａｌ上、及びＡｌで被覆されていない第２導電型半導体結晶層４上に形成され、第２導電型半導体結晶層４に対してオーミックコンタクト性がある材料で成る。
以上からなるＬＥＤ素子

上記ＬＥＤ素子は、次のようにして作製可能である。
（１）ＧａＮ系化合物半導体層構造は公知の手段（例えば赤碕勇編著「III族窒化物半導体」（培風館）参照）により、ＭＯＶＰＥ法を用いて作製可能である。基板結晶１上にＧａＮ又はＡｌＮを低温で形成させてバッファー層となし、その上にＮ型ＧａＮ層、活性層、Ｐ型ＧａＮ層の順に積層する。
（２）ＲＩＥ法により、第２導電型半導体結晶層４、及びその下地の活性層３の一部を除去して、第１導電型半導体結晶層２の表面を露出させる。
（３）露出した第１導電型半導体結晶層２の表面に、第１導電型半導体結晶層２に対してオーミックコンタクト性がある材料（本実施例ではＴｉ)の導電層６を形成する。
（４）導電層６上に第１電極部７を構成するＡｕ層を、ＥＢ蒸着法にて形成する。
（５）Ｐ型ＧａＮ層の表面に電子線（ＥＢ）蒸着法により、Ａｌ層を形成させる。
（６）ＲＩＥ法により、斜め方向からＡｌ層の表面をエッチバックする。貫通転位欠陥１１の内表面及びその周囲には、ＲＩＥのイオンが到達し難いので、それ以外の部位のＡｌ層がすべて除去されても、貫通転位欠陥１１の内表面１２及びその周囲のＡｌ層は残る。
（７）Ａｌが除去されて露出した第２導電型半導体結晶層４の表面に、新たに、Ｐ型ＧａＮ層とオーミックコンタクトする金属材料のＮｉを、ＥＢ蒸着法にて層形成させる。
（８）Ｎｉ層上に、第２電極部８を構成するＡｕ層を、ＥＢ蒸着法にて形成する。
以上の工法により実施形態１の構造が作製可能である。

次に、実施形態１の作用効果を説明する。貫通転位欠陥１１付近の第２導電型半導体結晶層４にオーミックコンタクト性の材料が接触していないので、貫通転位欠陥１１付近を電流が流れ難い。従って、点灯時間の増加に伴う、貫通転位欠陥１１付近のリーク電流の増加を抑えることができる。その結果、従来と同程度のＬＥＤ素子温度条件で使用した場合には、素子の寿命を向上させることができ、また、従来よりも高温で使用にも耐えるＬＥＤ素子を提供できる。

本実施形態では、非オーミックコンタクト性材料としてＡｌを用いたが、特にＡｌに限定するものではなく、Ｐ型ＧａＮ層に対して非オーミックコンタクト性の材料であれば同様の効果が得られる。

＜実施形態２＞
この実施形態２は、図１の実施形態１と概略同様の構造であり、実施形態１と相違する点は、本実施形態では、図１の貫通転位欠陥１１の内表面１２及びその周囲が、第２導電型半導体結晶層４に対する非オーミックコンタクト性材料として、絶縁性材料のＡｌに代えて、ＳｉＯ_２で被覆したことである。

本実施形態２のＬＥＤ素子の作製方法については、ＳｉＯ_２層の形成を除いて実施形態１と同様である。すなわち、
（１）ＧａＮ系化合物半導体層構造は、ＭＯＶＰＥ法を用いて作製する。基板結晶上にＧａＮまたはＡｌＮを低温で形成させてバッファー層となし、その上にＮ型ＧａＮ層、活性層、Ｐ型ＧａＮ層の順に積層する。
（２）Ｐ型ＧａＮ層の表面にＣＶＤ法により、ＳｉＯ_２層を形成させる。
（３）ＲＩＥ法により、斜め方向からＳｉＯ_２層の表面をエッチバックする。貫通転位欠陥の内表面及びその周囲には、ＲＩＥのイオンが到達し難いので、それ以外の部位のＳｉＯ_２層がすべて除去されても、貫通転位欠陥の内表面及びその周囲のＳｉＯ_２層は残る。
（４）ＳｉＯ_２層が除去されて露出した第２導電型半導体層の表面に、新たに、Ｐ型ＧａＮ層とオーミックコンタクトする金属材料のＮｉを、ＥＢ蒸着法にて層形成させる。
（５）Ｎｉ層上に、第２電極部を構成するＡｕ層を、ＥＢ蒸着法にて形成する。
以上の工法により実施形態２の構造が作製可能である。

本実施形態２の作用効果を説明すると、上述実施形態１と同様、貫通転位欠陥付近の第２導電型結晶層にオーミックコンタクト性の材料が接触していない上に、ＳｉＯ_２はそれ自身が絶縁性であるため、たとえ貫通転位欠陥内にＳｉＯ_２自身が拡散しても、リーク電流の増加につながることがない。従って、実施例１に比べてさらに発光素子の寿命を向上させることができ、従来よりも高温での使用に耐える発光素子を提供できる。
本実施形態では、絶縁性材料としてＳｉＯ_２を用いたが、特にこれに限定するものではなく、絶縁性材料としては他に例えばＳｉ_３Ｎ_４などであっても同様の効果が得られる。

＜実施形態３＞
図２に、実施形態３に係るＬＥＤ素子の一部拡大断面を示す。実施形態３では、図１の実施形態１における貫通転位欠陥１１の内表面及び周囲の構造が相違する。実施形態３では、貫通転位欠陥１１の内表面は、第１導電型半導体結晶層２（Ｎ型ＧａＮ層）に到達する大きさを有するエッチピット１４であり、このエッチピット１４の表面上に光透過性を有する絶縁性材料のＳｉＯ_２層１５が形成され、このＳｉＯ_２層１５の上に光反射性に優れた金属層１６（本実施例ではＡｌ）を形成し、ＳｉＯ_２層１５で被覆されていない第２導電型半導体結晶層４上の一部に、第２導電型半導体層にオーミックコンタクトし得る材料(本実施例ではＮｉ）で成る導電層５を形成し、この導電層５の上に第２電極部８を構成している。その他の構成は、実施形態１と同等である。

本実施形態３の作製方法は、次の通りである。
（１）サファイア上に、Ｐ型ＧａＮを形成させ、第１電極部を形成させるまでは、実施形態１、２と同様。
（２）Ｐ型ＧａＮの表面を、ＲＩＥ法を用いてエッチング処理することによって、Ｐ型ＧａＮ層の表面の貫通転位欠陥を拡大させ、Ｎ型ＧａＮ層に達するまでの深さを有するエッチピット１４を形成させる。
（３）Ｐ型ＧａＮ層の表面にＳｉＯ_２層１５を形成させる。
（４）ＳｉＯ_２層１５上に、光反射性に優れる金属材料であるＡｌ層１６をＥＢ蒸着法により蒸着する。
（５）ＲＩＥ法により、斜め方向からＡｌ層／ＳｉＯ_２層の表面をエッチバックする。貫通転位欠陥の内表面及びその周囲には、ＲＩＥのイオンが到達し難いので、それ以外の部位のＡｌ層／ＳｉＯ_２層がすべて除去されても、貫通転位欠陥の内表面及びその周囲のＡｌ層／ＳｉＯ_２層は残る。
（６）露出した第２導電型半導体結晶層４の表面に、新たに、Ｐ型ＧａＮ層とオーミックコンタクトする金属材料のＮｉ（導電層５）を、ＥＢ蒸着法にて層形成させる。
（７）Ｎｉ層上に、第２電極部８を構成するＡｕ層を、ＥＢ蒸着法にて形成する。

本実施形態３の作用効果を説明する。活性層３の第１導電型半導体結晶層２側の面まで拡大されたエッチピット１４上に、絶縁性材料として、透光性材料でもあるＳｉＯ_２層１５を用い、さらにその上に光反射性に優れるＡｌ層１６を設けて光反射構造となした。この結果、活性層から放射された光のうち、活性層と平行な方向へ伝播する光が、活性層に対して傾斜する面上に形成された光反射構造により、効率的に光取り出し面側へ反射され、ＬＥＤ素子の光取り出し率が向上する効果がある。

＜実施形態４＞
図３に、実施形態４に係るＬＥＤ素子の部分拡大断面を示す。このＬＥＤ素子は、基板結晶（サファイア）１上にマスク層（本実施例ではＳｉＯ_２層）をストライプ状に形成し、基板結晶１上及びマスク層上に第１導電型半導体結晶層２（ＳｉをドープしたＮ型ＧａＮ）を形成し、第１導電型半導体結晶層２上に活性層３（ＧａＮ／ＩｎＧａＮを８層積み重ねた多量子井戸構造）を形成し、この活性層３の上に形成された第２導電型半導体結晶層４（ＭｇをドープしたＰ型ＧａＮ）を形成し、この第２導電型半導体結晶層４、及びその下地の活性層３の一部が除去されて露出した第１導電型半導体結晶層２の表面に、第１導電型半導体結晶層２に対してオーミックコンタクト性がある材料（本実施例ではＴｉ)で形成された導電層５を形成し、この導電層５上に第１電極部８を成す一層又は複数層の金属層（本実施例ではＡｕ層のみ）を形成したものである。

上記のような構造は公知であるが、マスク層１７の上方は貫通転位密度が、それ以外の領域での貫通転位密度に比べて小さくでき、従って、ＧａＮ系化合物半導体結晶層中に貫通転位欠陥１１は密度の高い領域と低い領域が選択的に形成されている。なお、上記構造は、貫通転位欠陥密度の高い領域と低い領域を選択的に形成させる一例であり、特に上記構造に限定されるものではない。

本実施形態４では、上記構造を基礎に、さらには、貫通転位欠陥密度の高い領域にある個々の貫通転位欠陥に対して、実施形態３に示したのと同じ光反射構造を形成し、光反射構造が形成されていないＮ型ＧａＮ層上に、Ｎ型ＧａＮ層にオーミックコンタクト性を有する材料（本実施例ではＮｉ）の導電層５を形成し、この導電層５上に第２電極部８を構成する一層又は複数層の金属層（本実施例ではＡｕ層のみ）を形成する。

本実施形態４の作製方法は、次の通りである。
（１）基板結晶上にＭＯＶＰＥ法にて、ＳｉＯ_２マスク層を形成後、実施形態１等に記載の方法にて、Ｐ型ＧａＮを形成させ、さらに第１電極部を形成させる。
（２）基板結晶上に形成されたＳｉＯ_２マスクに対する反転マスクパターンにより、前記ＳｉＯ_２マスク上方のＰ型ＧａＮ層の表面を覆う。
（３）実施形態３と同様に、マスクによって覆われていないＰ型ＧａＮ層の表面を、ＲＩＥ法を用いてエッチング処理することによって、Ｐ型ＧａＮ層の表面の貫通転位欠陥を拡大させ、Ｎ型ＧａＮ層に達するまでの深さを有するエッチピットを形成させる。
（４）Ｐ型ＧａＮ層の表面にＳｉＯ_２膜を形成させる。
（５）ＳｉＯ_２層上に、光反射性に優れる金属材料であるＡｌをＥＢ蒸着法により蒸着する。
（６）ＲＩＥ法により、斜め方向からＡｌ層／ＳｉＯ_２層の表面をエッチバックする。貫通転位欠陥の内表面及びその周囲には、ＲＩＥのイオンが到達し難いので、それ以外の部位のＡｌ層／ＳｉＯ_２層がすべて除去されても、貫通転位欠陥の内表面及びその周囲のＡｌ層／ＳｉＯ_２層は残る。
（７）露出した第２導電型半導体層の表面に、新たに、Ｐ型ＧａＮ層とオーミックコンタクトする金属材料のＮｉを、ＥＢ蒸着法にて層形成させる。
（８）Ｎｉ層上に、第２電極部を構成するＡｕ層を、ＥＢ蒸着法にて形成する。

上記工法により、貫通転位欠陥密度の高い領域に在る貫通転位欠陥に対して、選択的に実施形態３に示したのと同じ光反射構造を形成させたＬＥＤ素子が作製できる。

本実施形態４の作用効果を説明する。貫通転位欠陥密度の小さい領域は、貫通転位欠陥密度の大きい領域に比べて光出力が大きい。そこで、貫通転位密度の高い領域に光反射構造を形成すれば、貫通転位密度の低い領域で発生した光が、その近傍の光反射構造によって、効率的に光取り出し面側へ反射されるので、光効率が大きく向上する効果がある。なお、本発明は、上記実施例の構成に限られることなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。

（ａ）は本発明の実施形態１，２に係る発光素子の断面図、（ｂ）はその部分拡大断面図。 実施例３に係るＬＥＤ素子の表面近傍の拡大断面図。 実施例４に係るＬＥＤ素子の一部分の拡大断面図。

符号の説明

１ 基板結晶
２ 第１導電型半導体結晶層
３ 活性層
４ 第２導電型半導体結晶層
５ 導電層
６ 導電層
７ 第１電極部
８ 第２電極部
１３ 非オーミックコンタクト性材料の被覆部
１４ エッチピット
１５ ＳｉＯ_２層

Claims (2)

1. 基板結晶と、この基板結晶上に形成された第１導電型の半導体結晶層と、この第１導電型の半導体結晶層上に形成された活性層と、この活性層の上に形成された第２導電型の半導体結晶層と、を有する発光ダイオード素子において、
   前記第２導電型結晶層の活性層とは反対側の表面に貫通転位欠陥が露出し、
   前記貫通転位欠陥の内表面は、第１導電型半導体層に到達する大きさを有するエッチピットであり、
   前記エッチピットの表面上に光透過性を有する絶縁性材料の層が形成され、さらに、前記絶縁性材料の上に金属層が形成されることにより、光反射構造が形成されていることを特徴とする発光ダイオード素子。
2. 前記貫通転位欠陥の密度が高い領域と低い領域が選択的に形成され、前記密度の高い領域に前記光反射構造が形成されていることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード素子。

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