JP5195452B2 - 発光素子 - Google Patents
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Description
図例の発光ダイオードは、透明部材からなる基板11上に、第1導電型(例えば、n型。)半導体層12、発光機能層13および第2導電型(例えば、p型。)半導体層14からなる積層体が配されている。この積層体により、半導体を用いたpn接合と呼ばれる構造を有することになる。
ただし、第1導電型半導体層12上は、全面が発光機能層13および第2導電型半導体層14に覆われているのではなく、その一部が露出している。そして、その露出部分には、第1導電型用電極15が導通している。この第1導電型用電極15は、カソード(陰極)として機能することになる。
一方、積層体における第2導電型半導体層14上には、第2導電型用電極16が導通している。この第2導電型用電極16は、光反射膜としての機能を備える第2導電型用第1電極16aと、バンプ実装のためのコンタクト部としての機能を備える第2導電型用第2電極16bと、が積層されてなる。これらが積層されてなる第2導電型用電極16は、アノード(陽極)として機能することになる。
このような構成の発光ダイオードでは、アノードとして機能する第2導電型用電極16からカソードとして機能する第1導電型用電極15に対して順方向に電圧を加えることで、pn接合構造部分を発光させるようになっている。すなわち、電流注入によって発光機能層13の量子井戸構造が励起され、これにより当該発光機能層13を含む積層体の全面で発光状態となるのである。
その一方で、第1導電型半導体層12上の露出部分と導通する第1導電型用電極15については、バンプ実装のために、一定量以上の面積が外部に向けて露出している必要がある。
これらの相反する事項を両立させるために、発光ダイオードについては、図7に示したように、発光機能層13を含む積層体と、第1導電型用電極15との間に、絶縁層17を介在させることが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。このような構成によれば、絶縁層17を介在させ、その絶縁層17に第1導電型用電極15をオーバーラップさせることで、発光機能層13を含む積層体の面積増大による明るさ確保を図りつつ、第1導電型用電極15におけるバンプ実装面積を確保することができる。
絶縁層17を介在させた構成の発光ダイオードでは、当該絶縁層17を構成する絶縁材料の絶縁破壊耐圧によって、ESD(静電気放電)の耐量が決定される。例えば、絶縁層17を構成する絶縁材料としてSiO2を用いると、当該絶縁材料の絶縁破壊耐圧は約10MV/cmであるため、約500nmの厚みで絶縁層17を形成した場合であれば、約500Vの絶縁破壊耐圧となる。ところが、発光ダイオードに求められるESD耐量は、約3kVである。つまり、約500Vの絶縁破壊耐圧では、不十分である。
約3kVのESD耐量を満足するためには、絶縁層17を厚くすることも考えられる。ただし、絶縁層17を厚くすることは、光量低下に繋がる発光機能層13の面積削減や発光ダイオード全体の大型化等を招く要因となり得るため、望ましくない。
なお、ここでは、発光素子として、発光ダイオード(以下「LED」という。)を例に挙げ、以下の説明を行う。
先ず、本発明が適用されたLEDについて、その第1の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態におけるLEDの概略構成を模式的に示す側断面図である。図例では、基板側光取出し型LEDの構成例を示している。また、図中において、従来構成(図7参照。)と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
なお、ここでいう第1導電型および第2導電型は、それぞれが互いに異なる導電型のことである。例えば、第1導電型がn型である場合には第2導電型はp型であり、第1導電型がp型である場合には第2導電型はn型である。
このような第1導電型半導体層12、発光機能層13と、第2導電型半導体層14の形成材料としては、GaN系化合物半導体(AlGaN混晶あるいはAlInGaN混晶、InGaN混晶を含む)、InN系化合物半導体、AlN系化合物半導体、AlGaInP系化合物半導体、AlGaInAs系化合物半導体、GaInAs系化合物半導体、GaInAsP系化合物半導体、GaP系化合物半導体、InP系化合物半導体を例示することができる。
ただし、第1導電型半導体層12上は、全面が発光機能層13および第2導電型半導体層14に覆われているのではなく、その一部が露出している。つまり、発光機能層13は、第1導電型半導体層12上の一部分を露出させつつ、当該第1導電型半導体層12上の他部分を覆うように形成されている。そして、その発光機能層13上の全面を覆うように、第2導電型半導体層14が形成されている。
このような第1導電型用電極15の形成材料としては、例えば、チタン(Ti)、TiWやTiMoといったチタン合金(例えば、TiW層、Ti層/Ni層/Au層等)、アルミニウム(Al)やアルミニウム合金を挙げることができる。なお、「/」の前に記載された層が、より一層、基体の近くに位置する(すなわち、下側に位置する)。
このような第2導電型用電極16のうち、第2導電型用第1電極16aの形成材料としては、銀(Ag)を挙げることができる。第2導電型用第1電極16aをAgで形成すれば、例えば96%以上の光反射率を達成することができる。
また、第2導電型用第2電極16bについては、第1導電型用電極15と同様の形成材料を用いることが考えられる。
このような絶縁層17の形成材料としては、SiO2やSiN等の絶縁材料を用いることが考えられる。ただし、その他にも、SiOx系材料、SiNy系材料、SiOxNy系材料、Ta2O5、ZrO2、AlN、Al2O3を例示することができる。
第1導電型半導体絶縁層18が介在する領域範囲は、図例のように、少なくとも、第2導電型用第1電極16aの上面と、第1導電型用電極15のオーバーラップ部分とが、平面的に重なり合う領域とする。ただし、これに限定されることはなく、第2導電型用第1電極16aの上面と絶縁層17とが平面的に重なり合う領域の全域に加えて、当該第2導電型用第1電極16aおよび第2導電型半導体層14の端面と絶縁層17との間にまで廻り込むように、第1導電型半導体絶縁層18の介在領域範囲を広げることも考えられる。
第1導電型半導体絶縁層18の形成材料としては、例えば、導電型制御された、Si、Ge若しくはCのいずれか、または、B、Al、Ga、In若しくはTiのいずれかとN、P、As、Sb若しくはBiのいずれかとの組み合わせ、または、Zn若しくはCdのいずれかとO、S、Se若しくはTeのいずれかとの組み合わせからなるものを挙げることができる。ここで、導電型制御とは、所望の導電型となるように材料選択を行うことをいう。具体的には、例えばB、Al、Ga、In、Zn、Cdによればn型ドープとなり、またN、P、As、Sb、O、S、Se、Teによればp型ドープとなる、といった具合である。
このような第1導電型半導体絶縁層18の介在によって、当該第1導電型半導体絶縁層18と絶縁層17とは、仮想ダイオードを構成することになる。つまり、第1導電型半導体絶縁層18は、絶縁層17とのpn逆接合またはショットキー接合によって、仮想ダイオードを構成する。なお、その仮想ダイオードは、第1導電型半導体層12、発光機能層13および第2導電型半導体層14からなる積層体が構成するダイオードとは逆方向の整流作用のものである。
次に、以上のような構成のLEDの製造手順を説明する。
図2は、本発明の第1の実施の形態におけるLEDの製造手順を模式的に示す側断面図である。
第1導電型半導体層12、発光機能層13および第2導電型半導体層14の成膜方法としては、有機金属化学的気相成長法(MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法を挙げることができる。第2導電型用第1電極16aの成膜方法としては、真空蒸着法やスパッタリング法といったPVD(Physical Vapor Deposition)法、各種のCVD(Chemical Vapor Deposition)法を挙げることができる。
また、第1導電型半導体層12の一部分を露出させる方法としては、リソグラフィ技術と、ウェットエッチング法あるいはドライエッチング法との組合せを挙げることができる。
さらには、絶縁層17の形成領域にオーバーラップさせつつ、第1導電型半導体層12上の露出部分と導通するように、第1導電型用電極15を成膜する。この第1導電型用電極15の成膜方法としては、真空蒸着法やスパッタリング法といったPVD法、各種のCVD法、メッキ法を挙げることができる。
なお、第1導電型半導体層12の一部の露出工程と第2導電型用第2電極16bの形成は、どちらを先に行ってもよく、同時に行うようにすることも考えられる。
次に、以上のように構成されたLEDを発光させる場合の処理動作を説明する。
したがって、アノードからカソードに順方向に電圧を加え、これによりpn接合構造によるダイオードに順方向バイアスをかけると、絶縁層17および第1導電型半導体絶縁層18によって構成される仮想ダイオードには、逆方向バイアスがかかることになる。つまり、第1導電型半導体絶縁層18の付設によって逆方向バイアス状態を形成することで、絶縁層17では、電子の流れが生じ難くなる。これにより、絶縁層17では、その厚さの増大等を要することなく、絶縁破壊耐圧が向上するようになる。
しかも、その場合であっても、第1導電型半導体絶縁層18の付設による逆方向バイアス状態を利用しているので、絶縁層17の厚さ増大等を要することがなく、光量低下に繋がる発光機能層13の面積削減やLED全体の大型化等を招くことがない。つまり、同じ絶縁耐圧であれば、従来構造よりも素子全体の小型化が実現容易となり、これに伴う生産性の向上も期待できる。
さらには、絶縁破壊耐圧を向上させた絶縁層17上に第1導電型用電極15をオーバーラップさせることで、光の明るさを犠牲にすることなく、バンプ実装のための電極面積を十分に確保できる。また、絶縁層17におけるpn逆接合構造を、第1導電型半導体層12、発光機能層13および第2導電型半導体層14の積層体のpn接合構造部分と接続し、回路を構成することにより、ESD保護素子として機能させることもできるようになる。
次に、本発明が適用されたLEDの第2の実施の形態を説明する。なお、ここでは、主に上述した第1の実施の形態の場合との相違点について説明を行う。
図3は、本発明の第2の実施の形態におけるLEDの概略構成を模式的に示す側断面図である。
図例のLEDは、第1導電型半導体絶縁層18に代わって、第2導電型半導体絶縁層19を備えて構成されている点で、第1の実施の形態の場合とは異なる。
第2導電型半導体絶縁層19が介在する領域範囲は、図例のように、少なくとも、絶縁層17上への第1導電型用電極15のオーバーラップ部分に相当する領域とする。ただし、これに限定されることはなく、絶縁層17と第1導電型用電極15との界面の全域にまで廻り込むように、第2導電型半導体絶縁層19の介在領域範囲を広げることも考えられる。
第2導電型半導体絶縁層19の形成材料としては、例えば、導電型制御された、Si、Ge若しくはCのいずれか、または、B、Al、Ga、In若しくはTiのいずれかとN、P、As、Sb若しくはBiのいずれかとの組み合わせ、または、Zn若しくはCdのいずれかとO、S、Se若しくはTeのいずれかとの組み合わせからなるものを挙げることができる。ここで、導電型制御とは、所望の導電型となるように材料選択を行うことをいう。具体的には、例えばB、Al、Ga、In、Zn、Cdによればn型ドープとなり、またN、P、As、Sb、O、S、Se、Teによればp型ドープとなる、といった具合である。
このような第2導電型半導体絶縁層19の介在によって、当該第2導電型半導体絶縁層19と絶縁層17とは、仮想ダイオードを構成することになる。つまり、第2導電型半導体絶縁層19は、絶縁層17とのpn逆接合またはショットキー接合によって、仮想ダイオードを構成する。なお、その仮想ダイオードは、第1導電型半導体層12、発光機能層13および第2導電型半導体層14からなる積層体が構成するダイオードとは逆方向の整流作用のものである。
次に、以上のような構成のLEDの製造手順を説明する。
図4は、本発明の第2の実施の形態におけるLEDの製造手順を模式的に示す側断面図である。
第2導電型用第1電極16aの成膜後は、続いて、当該第2導電型用第1電極16aの上面における所定の一部領域および第1導電型半導体層12の露出部分における所定の一部領域を覆うように、絶縁層17の成膜を行う。絶縁層17の成膜についても、第1の実施の形態の場合と同様に行えばよい。
さらには、絶縁層17に重ねて形成された第2導電型半導体絶縁層19の形成領域にオーバーラップさせつつ、第1導電型半導体層12上の露出部分と導通するように、第1導電型用電極15を成膜する。この第1導電型用電極15の成膜方法としても、第1の実施の形態の場合と同様に行えばよい。
なお、第1導電型半導体層12の一部の露出工程と第2導電型用第2電極16bの形成は、どちらを先に行ってもよく、同時に行うようにすることも考えられる。また、第2導電型用第2電極16bの形成は、第2導電型半導体絶縁層19の形成に先立って行っても構わない。
次に、以上のように構成されたLEDを発光させる場合の処理動作を説明する。
したがって、アノードからカソードに順方向に電圧を加え、これによりpn接合構造によるダイオードに順方向バイアスをかけると、絶縁層17および第2導電型半導体絶縁層19によって構成される仮想ダイオードには、逆方向バイアスがかかることになる。つまり、第2導電型半導体絶縁層19の付設によって逆方向バイアス状態を形成することで、絶縁層17では、電子の流れが生じ難くなる。これにより、絶縁層17では、その厚さの増大等を要することなく、絶縁破壊耐圧が向上するようになる。
次に、本発明が適用されたLEDの第3の実施の形態を説明する。なお、ここでも、主に上述した第1または第2の実施の形態の場合との相違点について説明を行う。
図5は、本発明の第3の実施の形態におけるLEDの概略構成を模式的に示す側断面図である。
図例のLEDは、第1の実施の形態で説明した第1導電型半導体絶縁層18および第1の実施の形態で説明した第2導電型半導体絶縁層19に代わって、第1導電型半導体絶縁層20と第2導電型半導体絶縁層21との絶縁層対を備えて構成されている。
このような絶縁層対が介在する領域範囲は、図例のように、少なくとも、絶縁層17上への第1導電型用電極15のオーバーラップ部分に相当する領域とする。ただし、これに限定されることはなく、絶縁層17と第1導電型用電極15との界面の全域にまで廻り込むように、第1導電型半導体絶縁層20と第2導電型半導体絶縁層21との介在領域範囲を広げることも考えられる。
第1導電型半導体絶縁層20および第2導電型半導体絶縁層21の形成材料としては、例えば、導電型制御された、Si、Ge若しくはCのいずれか、または、B、Al、Ga、In若しくはTiのいずれかとN、P、As、Sb若しくはBiのいずれかとの組み合わせ、または、Zn若しくはCdのいずれかとO、S、Se若しくはTeのいずれかとの組み合わせからなるものを挙げることができる。ここで、導電型制御とは、所望の導電型となるように材料選択を行うことをいう。具体的には、例えばB、Al、Ga、In、Zn、Cdによればn型ドープとなり、またN、P、As、Sb、O、S、Se、Teによればp型ドープとなる、といった具合である。
このような第1導電型半導体絶縁層20と第2導電型半導体絶縁層21とが積層されてなる絶縁層対の介在によって、絶縁層17と第1導電型用電極15との間には、仮想ダイオードが構成されることになる。つまり、第1導電型半導体絶縁層20と第2導電型半導体絶縁層21とは、これらの積層によるpn逆接合によって、仮想ダイオードを構成することになる。なお、その仮想ダイオードは、第1導電型半導体層12、発光機能層13および第2導電型半導体層14からなる積層体が構成するダイオードとは逆方向の整流作用のものである。
次に、以上のような構成のLEDの製造手順を説明する。
図6は、本発明の第3の実施の形態におけるLEDの製造手順を模式的に示す側断面図である。
第2導電型用第1電極16aの成膜後は、続いて、当該第2導電型用第1電極16aの上面における所定の一部領域および第1導電型半導体層12の露出部分における所定の一部領域を覆うように、絶縁層17の成膜を行う。絶縁層17の成膜についても、第1の実施の形態の場合と同様に行えばよい。
さらには、絶縁層17に重ねて形成された第1導電型半導体絶縁層20と第2導電型半導体絶縁層21との絶縁層対の形成領域にオーバーラップさせつつ、第1導電型半導体層12上の露出部分と導通するように、第1導電型用電極15を成膜する。この第1導電型用電極15の成膜方法としても、第1の実施の形態の場合と同様に行えばよい。
なお、第1導電型半導体層12の一部の露出工程と第2導電型用第2電極16bの形成は、どちらを先に行ってもよく、同時に行うようにすることも考えられる。また、第2導電型用第2電極16bの形成は、第1導電型半導体絶縁層20と第2導電型半導体絶縁層21との絶縁層対の形成に先立って行っても構わない。
次に、以上のように構成されたLEDを発光させる場合の処理動作を説明する。
したがって、アノードからカソードに順方向に電圧を加え、これによりpn接合構造によるダイオードに順方向バイアスをかけると、絶縁層17と第1導電型用電極15との間に構成される仮想ダイオードには、逆方向バイアスがかかることになる。つまり、第1導電型半導体絶縁層20と第2導電型半導体絶縁層21とからなる絶縁層対の付設によって逆方向バイアス状態を形成することで、絶縁層17と第1導電型用電極15との間では、電子の流れが生じ難くなる。これにより、絶縁層17では、その厚さの増大等を要することなく、絶縁破壊耐圧が向上するようになる。
例えば、第1〜第3の実施の形態では、基板側光取出し型のLEDを例に挙げて説明したが、光取り出し面の基板を除去した形態のLEDであっても、全く同様に本発明を適用することが可能である。
例えば、第1〜第3の実施の形態では、基板側光取出し型のLEDを例に挙げて説明したが、電極透過光取出し型のLEDであっても、全く同様に本発明を適用することが可能である。
また、例えば、第1〜第3の実施の形態では、発光素子の一例であるLEDに本発明を適用した場合を例に挙げたが、半導体レーザ等といった他の発光素子であっても、全く同様に本発明を適用することが可能である。
このように、本発明は、各実施の形態で説明した内容に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することが可能である。
Claims (6)
- 第1導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層上の一部分を露出させつつ当該第1導電型半導体層上の他部分に形成された発光機能層と、
前記発光機能層上に形成された第2導電型半導体層と、
前記第1導電型半導体層上の露出部分と導通する第1導電型用電極と、
前記第2導電型半導体層と導通する第2導電型用電極と、
前記発光機能層、前記第2導電型半導体層および前記第2導電型用電極と前記第1導電型用電極との間の絶縁のために当該間に介在する絶縁層と、
前記絶縁層に付設されて、前記第2導電型半導体層、前記発光機能層および前記第1導電型半導体層が構成するダイオードとは逆方向の整流作用の仮想ダイオードを構成する付設絶縁層と
を備える発光素子。 - 前記付設絶縁層は、前記絶縁層における前記第2導電型用電極の側に付設されて、当該絶縁層とのpn逆接合またはショットキー接合によって前記仮想ダイオードを構成する第1導電型半導体絶縁層からなる
請求項1記載の発光素子。 - 前記付設絶縁層は、前記絶縁層における前記第1導電型用電極の側に付設されて、当該絶縁層とのpn逆接合またはショットキー接合によって前記仮想ダイオードを構成する第2導電型半導体絶縁層からなる
請求項1記載の発光素子。 - 前記付設絶縁層は、pn逆接合によって前記仮想ダイオードを構成する第1導電型半導体絶縁層と第2導電型半導体絶縁層との絶縁層対からなる
請求項1記載の発光素子。 - 前記付設絶縁層は、導電型制御された、Si、Ge若しくはCのいずれか、または、B、Al、Ga、In若しくはTiのいずれかとN、P、As、Sb若しくはBiのいずれかとの組み合わせ、または、Zn若しくはCdのいずれかとO、S、Se若しくはTeのいずれかとの組み合わせからなる
請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光素子。 - 前記第1導電型半導体層は、基板上に形成される
請求項1記載の発光素子。
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