JP4976849B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

この発明は、窒化ガリウム系発光ダイオード等の半導体発光素子に関する。

青色発光ダイオード素子は、たとえば、サファイア基板の表面にＩｎＧａＮ半導体発光部を形成し、さらにこのＩｎＧａＮ半導体発光部のＰ側およびＮ側にそれぞれ電極を形成して構成されている（下記特許文献１参照）。ところが、サファイア基板は絶縁性であるため、ＩｎＧａＮ半導体発光部側にＰ側およびＮ側の両電極を形成し、かつ、これらからワイヤを引き出さなければならない。そのため、ＩｎＧａＮ半導体発光部からの光が電極等によって遮光され、光の取出効率が悪い。

この問題は、ＩｎＧａＮ半導体発光部を実装基板に対向させて接合するとともに、サファイア基板側から光を取り出すフリップチップ型の構成（下記特許文献２参照）を採用することによって改善される。
フリップチップ型発光ダイオード素子は、サファイア基板の一方表面を光取出面とし、他方表面を素子形成面として、この素子形成面にＩｎＧａＮ半導体発光部を形成した構成となっている。ＩｎＧａＮ半導体発光部は、Ｎ型ＧａＮコンタクト層およびＰ型ＧａＮコンタクト層によってＩｎＧａＮ活性層を挟んだ構造を有している。たとえば、Ｎ型ＧａＮコンタクト層がサファイア基板側に配置され、Ｐ型ＧａＮコンタクト層は実装基板側に配置される。この場合、Ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面にＰ側電極膜が形成される。Ｎ側電極膜は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層およびＩｎＧａＮ活性層の一部を除去して露出させたＮ型ＧａＮコンタクト層に被着形成される。

そして、Ｐ側電極膜およびＮ側電極膜にそれぞれ接合するＰ側パッド電極およびＮ側パッド電極が設けられる。これらのパッド電極を実装基板に対向させて接合することで、発光ダイオードのフリップチップボンディングを行える。
ＩｎＧａＮ半導体発光部で発生した光は、すべてがサファイア基板側に取り出されるわけではなく、一部の光はＰ型ＧａＮコンタクト層へと向かう。そこで、光取出効率を高めるために、Ｐ側電極膜の材料には、Ｐ型ＧａＮコンタクト層にオーミック接合できるだけでなく、良好な反射率を有することが要求される。そのため、素子製作上の制約が大きく、それゆえ、接触抵抗が小さく、かつ、高反射率を有するＰ側電極膜を形成することが困難であった。
特許第３００９０９５号公報 特開２００３−２２４２９７号公報

この発明の目的は、半導体発光部を実装基板に対向させて接合するフリップチップ型の半導体発光素子において、実装基板側に配置される電極に課される制限を緩和し、光取出効率の向上に寄与することができる半導体発光素子を提供することである。
この発明の半導体発光素子は、第１導電型（Ｐ型およびＮ型の一方）の第１コンタクト層、第２導電型（Ｐ型およびＮ型の他方）の第２コンタクト層およびこれらに挟まれた活性層を有する半導体発光部と、前記第２コンタクト層の表面にオーミック接触し、この第２コンタクト層の表面を覆うとともに、前記半導体発光部の発光波長に対して透明であり、１０００〜１０００００Åの膜厚を有する透明電極と、この透明電極に対向して配置され、前記透明電極と電気的に接続されているとともに、前記半導体発光部から前記透明電極を透過してきた光を前記半導体発光部に向けて反射する金属反射膜と、前記透明電極と前記金属反射膜との間に介在された透明絶縁膜とを含む。前記金属反射膜は、前記透明絶縁膜に形成された複数の開口を介して前記透明電極に電気的に接続されており、前記透明電極の総面積に対する前記複数の開口の総面積の割合が、１〜３０％の範囲であり、前記金属反射膜がパッド電極で覆われている。前記半導体発光素子は、前記パッド電極を実装基板に対向させて当該実装基板にフリップチップ接合される。

この構成によれば、半導体発光部において、第２コンタクト層の表面には透明電極が形成されており、さらに、半導体発光部から見て、透明電極の背後に金属反射膜が配置されている。この構成により、半導体発光部から透明電極を透過してきた光を、金属反射膜において半導体発光部側へと反射することができるから、良好な光取出効率を得ることができる。

しかも、透明電極が第２コンタクト層を覆うので、金属反射膜は、半導体発光部にオーミック接触する必要がないから、その材料の選択の自由度が大きい。これにより、高反射率の材料を選択して、光取出効率を一層高めたり、安価な材料を選択してコストを削減したりすることができる。
「発光波長に対して透明」とは、具体的には、たとえば、発光波長の透過率が６０％以上の場合をいう。

この発明では、さらに、透明電極と金属反射膜との間に透明絶縁膜が介在されているので、半導体発光層からの光の反射のほとんどは、透明絶縁膜と金属反射膜との界面で生じる。絶縁体／金属の界面では光の吸収が実質的に生じないので、光取出効率をより一層向上することができる。

また、金属反射膜と透明電極とは、透明絶縁膜に形成された複数の開口を介して電気的に接続されているので、金属反射膜は、実装基板への接続のための電極としての役割を担うことができる。
透明絶縁膜に形成される複数の開口は、金属反射膜と透明電極との間の電気接続が確保される限度で可能な限り小面積に形成されることが好ましい。そこで、この発明では、透明電極の総面積に対する前記開口の総面積の割合が、１〜３０％の範囲（たとえば、７％程度）とされている。

発光波長に対して透明な絶縁膜の材料としては、ＳｉＯ_ｙ（０＜ｙ）、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２およびＳｉＮ_ｚ（０＜ｚ）を例示することができる。
前記半導体装置は、前記半導体発光部の発光波長に対して透明であり、一方表面を、前記半導体発光部から発した光を外部に取り出すための光取出面とし、他方表面を、前記半導体発光部を形成するための素子形成面としてあり、この素子形成面が前記第１コンタクト層に対向している透明基板をさらに有していてもよい。
透明基板としては、サファイア基板が好適であるが、他にも、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯなどの透明基板を用いることができる。
半導体発光部は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物化合物半導体を用いたＬＥＤ（発光ダイオード）構造を有していることが好ましい。より具体的には、半導体発光部は、ＩｎＧａＮ活性層をＰ型ＧａＮコンタクト層およびＮ型ＧａＮコンタクト層で挟んだ構造であってもよい。また、ＡｌＧａＮ活性層をＰ型ＡｌＧａＮコンタクト層およびＮ型ＡｌＧａＮコンタクト層で挟んで構造であってもよい。さらに、活性層は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有していてもよい。
前記半導体発光素子は、前記第１コンタクト層から前記金属反射膜側へと引き出された電極部をさらに含むことが好ましい。この構成によれば、前記金属反射膜を介して前記第２コンタクト層を実装基板に接合するとともに、前記電極部を介して前記第１コンタクト層を実装基板に接合することができる。こうして、フリップチップ接合を行うことができる。

前記透明電極は、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（ただし、０≦ｘ＜１）膜を含むことが好ましい。Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１。Ｘ＝０のときＺｎＯ）は、ＧａＮ半導体層に対して良好なオーミック接触を形成するとともに、３７０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長域の光に対して８０％以上の透過率を示す。これにより、接触抵抗を低減できるとともに、表面電極側への光取出効率をより一層高めることができる。

本発明における上述の、またはさらに他の目的、特徴および効果は、添付図面を参照して次に述べる実施形態の説明により明らかにされる。

［図１］この発明の一実施形態に係る発光ダイオード素子の構造を図解的に示す断面図である。
［図２］サファイア基板上に堆積させたＺｎＯ膜の透過率を測定した結果を示す。
［図３］サファイア基板上にＺｎＯ膜を堆積させ、さらにこのＺｎＯ膜上に反射金属層を形成した構造について、サファイア基板側から反射率を測定した結果を示す。
［図４］サファイア基板上にＺｎＯ膜、ＳｉＯ_２膜および反射金属層を順に積層した構造について、サファイア基板側から反射率を測定した結果を示す。
［図５］この発明の他の実施形態に係る発光ダイオード素子の構造を図解的に示す断面図である。
［図６］図５の構成の変形例を示す図解的な断面図である。
［図７］図５の構成の他の変形例を示す図解的な断面図である。

図１は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオード素子の構造を図解的に示す断面図である。この発光ダイオード素子は、フリップチップ型のものであり、透明基板としてのサファイア基板１と、このサファイア基板１の上に形成されたＩｎＧａＮ半導体発光部２と、ＩｎＧａＮ半導体発光部２のサファイア基板１とは反対側の表面を被覆して形成されたＰ側透明電極３とを備えている。サファイア基板１は、その一方表面が光取出面１ａとされ、その他方表面が前記素子形成面１ｂとされている。この素子形成面１ｂ上にＩｎＧａＮ半導体発光部２が形成されている。

サファイア基板１は、ＩｎＧａＮ半導体発光部２の発光波長（たとえば４６０ｎｍ）に対して透明な絶縁性の基板である。ＩｎＧａＮ半導体発光部２は、たとえば、サファイア基板１側にＳｉをドープしたＮ型ＧａＮコンタクト層２３を有し、サファイア基板１とは反対側にＭｇをドープしたＰ型ＧａＮコンタクト層２７を有し、これらの間にＩｎＧａＮ活性層２４，２５を有する。このＩｎＧａＮ活性層は、たとえば、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ層２４と多重量子井戸（ＭＱＷ）構造のＩｎＧａＮ層２５との積層構造を有する。より具体的には、ＩｎＧａＮ半導体発光部２は、サファイア基板１上に、バッファ層２１、アンドープＧａＮ層２２、前記Ｎ型ＧａＮコンタクト層２３、前記ＩｎＧａＮ活性層２４，２５、ＭｇをドープしたＰ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、前記Ｐ型ＧａＮコンタクト層２７を、サファイア基板１からこの順に積層して構成することができる。Ｐ側透明電極３は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２７のほぼ全面にオーミック接触する。

ＩｎＧａＮ半導体発光部２は、ＩｎＧａＮ活性層２４からＰ型ＧａＮコンタクト層２７までの各層の一部が同一パターンにエッチング除去されており、これにより、Ｎ型ＧａＮコンタクト層２３が露出させられている。このＮ型ＧａＮコンタクト層２３の露出した表面にＮ側電極６が被着形成されている。
一方、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２７のほぼ全面を覆うＰ側透明電極３には、その全面を覆う透明絶縁膜５が被着形成されている。この透明絶縁膜５は、さらに、ＩｎＧａＮ半導体発光部２全体を覆っており、パッシベーション膜として機能している。この透明絶縁膜５には、Ｐ側透明電極３の表面の一部（微小領域）を露出させる複数の開口５ａと、Ｎ側電極６の表面の一部を露出させる開口５ｂとが形成されている。そして、透明絶縁膜５の表面（ＩｎＧａＮ半導体発光部２とは反対側の表面）において、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２７に対向する領域のほぼ全域を覆うように、金属材料からなる反射電極７が形成されており、さらにこの反射電極７は、たとえばＡｕからなるＰ側パッド電極８で覆われている。反射電極７は、開口５ａを介して、Ｐ側透明電極３に接合しており、これにより、Ｐ側透明電極３、反射電極７およびＰ側パッド電極８は電気的に接続されている。Ｐ側透明電極３の総面積に対する複数の開口５ａの総面積の割合は、１〜３０％の範囲である。

他方、Ｎ側電極６からは、柱状のＮ側パッド電極９が立ち上げられている。このＮ側パッド電極９は、透明絶縁膜５の開口５ｂを介してＮ側電極６に接合されている。
このような構造により、Ｐ側パッド電極８およびＮ側パッド電極９を、いずれも実装基板１０に対向させて、この実装基板１０に接合することができる。１１は、半田等のろう材を示す。

Ｐ側透明電極３は、たとえば、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（０≦ｘ＜１。ｘ＝０のときＺｎＯ）からなり、ＩｎＧａＮ半導体発光部２の発光波長に対して透明な導電体層をなす。Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（とくにＧａをドープしたＺｎＯ）は、ＧａＮと格子定数が近似しており、事後のアニールを要することなく、ＩｎＧａＮ半導体発光部２の前記Ｐ型ＧａＮコンタクト層２７との間に良好なオーミック接触を形成する（Ｋｅｎ Ｎａｋａｈａｒａら著、「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ＩｎＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｇａ−Ｄｏｐｅｄ ＺｎＯ ａｓ ｐ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．２Ａ、２００４年、ｐｐ．Ｌ１８０−Ｌ１８２参照）。そして、たとえば、３７０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長の光に対して８０％以上の透過率を示す。したがって、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯを用いることにより、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２７との接触抵抗が低く、かつ、透過率の高いＰ側透明電極３を実現できる。

このようなＰ側透明電極３は、たとえば、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法によって形成することができる。このＰ側透明電極３の膜厚は、１０００〜１０００００Å（たとえば、５０００Å程度）とされる。
反射電極７を構成する金属材料の例としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｔｉなどを挙げることができる。反射電極７は、これらのような金属材料をスパッタリングまたは蒸着法によって透明絶縁膜５の表面に被着させて形成される。たとえば、Ａｌを用いる場合、その膜厚は、５００〜１００００Å（たとえば、１０００Å程度）とされる。

透明絶縁膜５は、たとえば、ＳｉＯ_ｙ、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２またはＳｉＮ_ｚからなり、ＩｎＧａＮ半導体発光部２の発光波長に対して透明なものである。この透明絶縁膜５は、たとえば、スパッタ法またはＣＶＤ法（化学的気相成長法）によって形成される。この透明絶縁膜５の厚さｔは、絶縁性が確保できる範囲で任意に定めればよいが、たとえば、透明絶縁膜５がＳｉＯ_２膜からなる場合には、その膜厚ｔは、８００Å×奇数倍とされることが好ましい。この膜厚ｔは、ＩｎＧａＮ半導体発光部２の発光波長λ（＝４６０ｎｍ）、ＳｉＯ_２の屈折率ｎ（＝１．４６）に対して、ｔ＝λ／（４・ｎ）×奇数倍なる関係にある。この膜厚ｔは、透明絶縁膜５と反射電極７との界面において、最大の反射効率を得るための条件を満たす。

以上のような構成により、Ｐ側パッド電極８とＮ側パッド電極９との間に順方向電圧を印加すると、ＩｎＧａＮ半導体発光部２から、波長４６０ｎｍの青色の光が発生する。この光は、サファイア基板１を透過して光取出面１ａ側へ取り出される。ＩｎＧａＮ半導体発光部２からＰ側透明電極３に向かった光は、このＰ側透明電極３を透過し、さらに、透明絶縁膜５を透過して反射電極７へと入射し、この反射電極７によって反射される。この反射した光は、サファイア基板１へと向かい、その光取出面１ａから取り出される。こうして、高効率で光を取り出すことができる。透明絶縁膜５および反射電極７は、絶縁体／金属の界面を形成しているので、この界面では実質的に光の吸収が生じない。そのため、良好な光取出効率を達成できる。

このように、この実施形態の発光ダイオード素子によれば、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２７の表面にＰ側透明電極３を接合して形成しており、このＰ側透明電極３上に透明絶縁膜５を介して反射電極７が形成されている。そのため、反射電極７の材料を選択する際には、Ｐ型ＧａＮコンタクト層２７とのオーミック接合の良否を考慮する必要がないため、材料選択の幅が広くなる。これにより、高反射率の材料を選択して高光取出効率の素子を実現したり、安価な金属材料を選択して素子の製造コストの低減を図ったりすることができる。

図２、図３および図４は、透明絶縁膜５の効果を説明するための図である。図２は、サファイア基板上に堆積させたＺｎＯ膜の透過率を測定した結果を示す。また、図３は、サファイア基板上にＺｎＯ膜を堆積させ、さらにこのＺｎＯ膜上に反射金属層を形成した構造について、サファイア基板側から反射率を測定した結果を示す。さらに、図４は、サファイア基板上にＺｎＯ膜、ＳｉＯ_２膜および反射金属層を順に積層した構造について、サファイア基板側から反射率を測定した結果を示す。

図２に示すように、サファイア基板上に積んだＺｎＯは非常に高い透過率を持つ。そのため、ＡｇやＡｌといった高反射率の金属からなる反射金属層をＺｎＯ上にのせ、サファイア基板側から反射率を測定すれば、ほぼ反射金属層単体の反射率が得られるものと期待される。
しかし、実際には、反射金属層をＺｎＯに直接つけると、図３に示すとおり、所望の反射率が得られない。詳細な原理は明らかではないが、ＡｇやＡｌといった銀白色系金属は、ＧａドープＺｎＯとオーミック接触を形成し、これに起因して、反射金属層単体の反射率が阻害されているものと推定される。

そこで、ＺｎＯと反射金属層との間に透明絶縁膜を介在させると、図４に示すように、反射金属層が本来有する高い反射率が得られるようになる。
図５は、この発明の他の実施形態に係る発光ダイオード素子の構造を図解的に示す断面図である。この図５において、前述の図１に示された各部と同等の部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。

この実施形態では、サファイア基板１が設けられておらず、Ｎ型ＧａＮコンタクト層２３が最上層となっていて、このＮ型ＧａＮコンタクト層２３の表面２３ａ（実装基板１０とは反対側の表面）が光取り出し面となっている。この光取り出し面としての表面２３上に、Ｎ側電極６Ａが形成されている。この構成の発光ダイオード素子は、たとえば、図１に示す構造を形成した後に、サファイア基板１、バッファ層２１およびアンドープＧａＮ層２２を研削して除去し、Ｎ型ＧａＮコンタクト層２３の表面を露出させることによって作製することができる。

この実施形態の発光ダイオード素子によれば、サファイア基板１、バッファ層２１およびアンドープＧａＮ層２２を通過するときの損失や、これらの層間の界面での反射による損失をなくすことができるから、光取り出し効率の向上に寄与できる。加えて、Ｐ側電極およびＮ側電極が対向配置された構造となるので、電流分布を均一化でき、素子の発熱を抑制できるという効果も得られる。

Ｎ型ＧａＮコンタクト層２３の光取り出し面としての表面２３ａは、鏡面に仕上げられていてもよいが、光取り出し効率を高めるためには、図６に示すように粗面加工した表面としたり、図７に示すような規則的な凹凸（たとえば、ディンプルを規則配列してなるもの）を形成した表面としたりすることが好ましい。とくに、図７の構成の場合には、Ｎ型ＧａＮコンタクト層２３全体をフォトニック結晶として、光取り出し効率の一層の向上を図ることが好ましい。

以上、この発明の２つの実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、Ｐ側透明電極３と反射電極７との間に透明絶縁膜５が介在されているが、この透明絶縁膜５を無くし、Ｐ側透明電極３と反射電極７とが互いのほぼ全面に接するようにしてもよい。ただし、Ｐ側透明電極３と反射電極７との界面での光の吸収を可能な限り少なくするためには、透明絶縁膜５を設けることが好ましい。

また、透明絶縁膜５と反射電極７との間に、密着性を高めるための接着層を設けてもよい。接着層は、たとえば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）をスパッタによって０．１μｍ程度設けることによって形成されてもよい。
また、前述の実施形態では、窒化ガリウム系半導体発光素子を例にとったが、この発明は、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＳｉＣ、ＩｎＡｌＧａＰなどの他の材料系の半導体発光素子に対しても適用することができる。

本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本発明の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本発明の精神および範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
この出願は、２００４年７月１２日に日本国特許庁に提出された特願２００４−２０５０９４号に対応しており、この出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。

Claims (11)

1. 第１導電型の第１コンタクト層、第２導電型の第２コンタクト層およびこれらに挟まれた活性層を有する半導体発光部と、
   前記第２コンタクト層の表面にオーミック接触し、この第２コンタクト層の表面を覆うとともに、前記半導体発光部の発光波長に対して透明であり、１０００〜１０００００Åの膜厚を有する透明電極と、
   この透明電極に対向して配置され、前記透明電極と電気的に接続されているとともに、前記半導体発光部から前記透明電極を透過してきた光を前記半導体発光部に向けて反射する金属反射膜と、
   前記透明電極と前記金属反射膜との間に介在された透明絶縁膜とを含み、
   前記金属反射膜は、前記透明絶縁膜に形成された複数の開口を介して前記透明電極に電気的に接続されており、
   前記透明電極の総面積に対する前記複数の開口の総面積の割合が、１〜３０％の範囲であり、
   前記金属反射膜がパッド電極で覆われており、前記パッド電極を実装基板に対向させて当該実装基板にフリップチップ接合される、半導体発光素子。
2. 前記半導体発光部の発光波長に対して透明であり、一方表面を、前記半導体発光部から発した光を外部に取り出すための光取出面とし、他方表面を、前記半導体発光部を形成するための素子形成面としてあり、この素子形成面が前記第１コンタクト層に対向している透明基板をさらに含む、請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第１コンタクト層から前記金属反射膜側へと引き出された電極部をさらに含む、請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記透明電極は、Ｚｎ_１−ｘＭｇ_ｘＯ（ただし、０≦ｘ＜１）膜を含む、請求項１記載の半導体発光素子。
5. 前記金属反射膜は、ＡｌまたはＡｇからなる、請求項１記載の半導体発光素子。
6. 前記透明絶縁膜は、ＳｉＯ _２ からなり、８００Å×奇数倍の膜厚を有している、請求項１記載の半導体発光素子。
7. 前記透明絶縁膜と前記金属反射膜との間に接着層が設けられている、請求項１記載の半導体発光素子。
8. 前記第１コンタクト層の表面が光取り出し面となっており、
   この光取り出し面に、前記透明電極に対向するように配置された電極をさらに含む、請求項１記載の半導体発光素子。
9. 前記光取り出し面が粗面加工された表面である、請求項８記載の半導体発光素子。
10. 前記光取り出し面が規則的な凹凸面である、請求項８記載の半導体発光素子。
11. 前記第１コンタクト層がフォトニック結晶からなる、請求項８記載の半導体発光素子。

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