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JP2001156331A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

窒化物半導体発光素子

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JP2001156331A
JP2001156331A JP34003999A JP34003999A JP2001156331A JP 2001156331 A JP2001156331 A JP 2001156331A JP 34003999 A JP34003999 A JP 34003999A JP 34003999 A JP34003999 A JP 34003999A JP 2001156331 A JP2001156331 A JP 2001156331A
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nitride semiconductor
light emitting
type
emitting device
electrode
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Toshio Komaki
稔生 小牧
Akiyuki Kitano
晃行 北野
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Original Assignee
Nichia Chemical Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】窒化物半導体を利用した発光素子に関わり、特
に発光効率を高めより高輝度に発光可能な窒化物半導体
発光素子を提供するものである。 【解決手段】少なくともＧａを含む窒化物半導体が基板
上にｐ型及びｎ型に積層された有する発光素子である。
特に、窒化物半導体層は同一成膜基板上で電気的に複数
分離してなり、それぞれの窒化物半導体層が導電性ワイ
ヤで電気的に接続されている窒化物半導体発光素子であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化物半導体を利用
した発光素子に関わり、特に発光効率を高めより高輝度
に発光可能な窒化物半導体発光素子を提供するものであ
る。
【０００２】
【従来技術】今日、窒化物半導体を利用した発光素子は
そのバンドギャップによって紫外域から赤色領域までが
効率よく発光可能な発光素子として注目されている。こ
のような窒化物半導体を用いた発光素子４００の一例を
図４に示す。図４にはサファイア基板上にＧａＮのバッ
ファ層を介してｎ型ＧａＮを利用したｎ型コンタクト
層、多重量子井戸構造とされるＧａＮ層とＩｎＧａＮ層
とを複数層積層させた発光層、ｐ型ＡｌＧａＮのクラッ
ド層、ｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層及びｐ型コンタク
ト層からなる窒化物半導体層４０１が形成されＬＥＤチ
ップである発光ダイオードを構成している。ｎ型コンタ
クト層の一部は露出されｎ型電極４０２が又透光性電極
４０３上にはｐ型電極４０４が積層されている。ｎ型及
びｐ型電極に電流を流すことにより、ＬＥＤチップから
所望の発光スペクトルを効率よく放出させることができ
る。
【０００３】しかしながら、窒化物半導体を利用した発
光素子の利用分野が広がるにつれて、より発光輝度が高
く、且つ消費電力の低い発光効率の優れた発光素子が要
望されている。特に、窒化物半導体を利用した発光素子
はその半導体特性が十分解明されていないことから、発
光素子の効率向上が極めて難しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】したがって、上記発光
素子の構成では十分ではなく、本発明は更なる発光効率
向上が可能な窒化物半導体を利用した発光素子を提供す
ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上にｐ型
及びｎ型に積層された少なくともＧａを含む窒化物半導
体を有する発光素子である。特に、ｐ型及びｎ型に積層
された少なくともＧａを含む窒化物半導体層は同一成膜
基板上で電気的に複数分離してなり、それぞれ分離され
た個々の窒化物半導体層の電極を導電性ワイヤで電気的
に直列及び／又は並列に接続されている窒化物半導体発
光素子である。これによって、より発光輝度が高く、且
つ消費電力の低い発光効率の優れた発光素子とすること
ができる。
【０００６】本発明の請求項２に記載の窒化物半導体発
光素子は、導電性ワイヤがそれぞれ電気的に分離された
個々の窒化物半導体層の電極をボールボンディングを用
いて順次結線されてなる窒化物半導体発光素子である。
これによって、ウエッジボンダーを用いて結線されたも
のと比べステッチボンドと同等の結線を行うことができ
る。したがって、成膜基板上に形成された各窒化物半導
体の配置や方向性に関係なくボンディングすることが可
能となる。これにより異種混合されたパターンでのボン
ディング可能化・ボンディング時間の短縮・電極接合強
度の向上を図ることができる。
【０００７】本発明の請求項３に記載の窒化物半導体発
光素子は、窒化物半導体層の少なくとも一部の電極は、
ステッチボンディングされたワイヤ上に、ボールボンデ
ィングされ隣接する窒化物半導体層の電極と電気的に接
続されてなる窒化物半導体発光素子である。これによっ
て、ステッチボンディング上にボールボンディングをす
る場合においても、同一成膜基板上であるため信頼性よ
く比較的強固に密着することができる。また、小型化時
においても量産性よく窒化物半導体を形成させることが
できる。これによって、より発光効率を高めた窒化物半
導体発光素子とすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明は種々の実験の結果、窒化
物半導体発光素子から放出される光は同一電圧を印可し
たときに発光する発光強度はその面積の大きさに比例し
ないことを見出し本発明をなすに至った。さらに、この
ような発光素子における結線がで量産性や信頼性が大き
く変わることを見出し本発明を成すにいたった。
【０００９】すなわち、窒化物半導体発光素子において
は同一電流を流した場合、発光素子を大きくすればする
ほど、その発光面積の増大に伴って発光輝度が高くなる
ものではない。むしろ発光効率が低下する傾向にある。
そのため、本発明は複数の窒化物半導体を直列接続させ
た発光素子とすることにより、同一発光面積の単一発光
素子よりも発光効率の優れた発光素子としうるものであ
る。なお、本発明による発光効率向上は不明であるが窒
化物半導体自体の抵抗が高く、欠陥が多いことに起因し
ていると考えられる。次に、発光効率を向上させるため
に、同一成膜基板上を複数の窒化物半導体を積層させ、
それぞれの電極を導電性ワイヤを用いて電気的に接続さ
せた場合、直並列接続の組合せによっては極めて狭い箇
所に方向性なく強固にワイヤを密着させる必要がある。
このような場合、ボールボンディングを利用し、ステッ
チボンディング上には再びボールを形成させることで安
定性よく密着性を向上させることができる。特に、本発
明のごときく極めて狭い空間でもワイヤボンディングさ
せる場合は、同一成膜基板にステッチボンド及びボール
ボンドを続けて行っても安定して密着性よく形成するこ
とができる。
【００１０】以下、本発明の窒化物半導体発光素子につ
いて図1を用いて説明する。図１は本発明の窒化物半導
体発光素子を示した模式的平面図であり、図２は図１の
ＡＡ断面図である。略矩形状のサファイア基板１０５上
に複数の島状に分離した窒化物半導体層１０１が形成さ
れている。島状に分離した窒化物半導体層１０１はそれ
ぞれがサファイア基板１０５上に、ＧａＮを用いたバッ
ファ層２０１、ｎ型コンタクト層となるＧａＮ２０２、
ＩｎＧａＮとＧａＮとを複数組積層させた量子井戸構造
とされる発光層２０３、ｐ型クラッド層となるＡｌＧａ
Ｎ２０４、ｐ型コンタクト層となるＧａＮ２０５が順次
積層されている。ｐ型コンタクト層上にはほぼ全面に透
光性電極２０６及びその上にｐ型台座電極２０７が設け
られている。他方、エッチングにより矩形状窒化物半導
体の一部を部分的に除去してｎ型コンタクト層を露出さ
せてある。なお、ｎ型コンタクト層の露出とサファイア
基板上に各窒化物半導体を島状に分離させることをエッ
チングにより同時に行うこともできる。ｎ型コンタクト
層上にはｎ型の台座電極が形成されており、平面状から
見てｐ型台座電極とｎ型台座電極とが矩形形状の対向す
る隅部に配置されている。また、島状に分離された各ｐ
型及びｎ型の台座電極は、サファイア基板の外周状に沿
って隣り合う島状の窒化物半導体と近接して配置されて
いる。少なくとも一箇所のｐ型及びｎ型台座電極間は金
線を利用してダイボンド接続され直列接続されている。
台座電極間が近接して配置されているために、金線の使
用量が極めて少なくてすむ。また、対向する隅部に各ｐ
型及びｎ型の台座電極が設けられていることにより、島
状に分離した窒化物半導体層から均一に発光することが
できる。さらに、サファイア基板の外周に沿ってｐ型及
びｎ型の台座電極が設けられていることにより、窒化物
半導体発光素子の中心光度を向上させることができる。
そのため、このような発光素子をレンズ効果のあるモー
ルド部材で被覆させるときには光学設計を極めて簡単に
行うことができる。なお、各島状の窒化物半導体層を電
気的に絶縁するために絶縁性保護膜２０８を形成しても
よい。
【００１１】図中では４個の島状に分離させたｐ型及び
ｎ型がそれぞれ積層された窒化物半導体を金線で３箇所
直列に接続させてある。金線にて接続させていない隣接
する窒化物半導体層上のｐ型及びｎ型の台座電極は、窒
化物半導体発光素子のｐ電極及びｎ電極として機能する
こととなる。各ワイヤー１０３は、窒化物半導体層の一
方の電極上でボールボンディングし第一のボール部１０
２を形成した後、隣接する窒化物半導体層の電極とステ
ッチボンディングする。このステッチチボンディング部
にはこの上から更にボールボンディングを行い第二のボ
ール部１０４を形成させるる。以下、本発明の窒化物半
導体発光素子の具体的形成方法について説明するがこれ
のみに限られないことはいうまでもない。
【００１２】
【実施例】あらかじめ、酸で表面を洗浄させた２インチ
のサファイア基板（α−アルミナ基板）をＭＯＣＶＤ法
を利用する反応装置内に配置させる。真空排気後、１０
００℃にまで上げクリーニングを行う。続いて、水素ガ
スを流しながら大気圧とさせる。次に、成膜温度を５３
０℃に下げ反応装置内に、原料ガスとしてＴＭＧ（トリ
メチルガリウム）、窒素ガスをキャリアガスとして水素
ガスと共に流し、厚さ約２００ÅのＧａＮ層を成膜させ
る。なお、バッファ層は窒化物半導体と基板との格子不
整合を緩和させるために設けられるものであり、ＧａＮ
の他、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮなどを好適に利用することが
できる。また、基板はサファイアの他、スピネル、ルビ
ーなど種々のものを利用することができる。
【００１３】次に、一旦キャリアガスのみとした後に成
膜温度を１０５０℃に上げる。成膜温度が一定となった
後に原料ガスとしてＴＭＧガス、窒素ガス、ドーパント
ガスとしてシランガス、キャリアガスとして水素ガスを
流しｎ型ＧａＮであるコンタクト層兼クラッド層を成膜
させる。なお、窒化物半導体は静電耐圧が他の半導体に
比べて低いため、ｎ型コンタクト層をアンドープのＧａ
Ｎなどでサンドイッチさせ結晶性と耐電圧を向上させ得
るように構成しても良い。
【００１４】次に、活性層としてＧａＮとＩｎＧａＮの
多層膜を形成させる。成膜温度を１０５０℃に維持した
まま、原料ガスとしてＴＭＧガス、窒素ガス及びキャリ
アガスとして水素ガスを流してＧａＮ層を形成する。続
いて、一旦キャリアガスのみとして、成膜温度を８００
℃にまで低下させる。温度が一定となった後に、原料ガ
スとしてＴＭＧガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）
ガス、窒素ガスを流し、ＩｎＧａＮ層を形成させる。こ
れを３回繰り返した後、最後に上述のアンドープＧａＮ
と同様の成膜条件にてＧａＮ層を成膜させる。これによ
り、多重量子井戸構造とされる活性層を成膜させる。発
光素子の発光スペクトルは井戸層のバンドギャップに左
右されるためＩｎＧａＮの他、ＡｌＧａＩｎＮやＡｌＧ
ａＮなどとすることができる。同様に、Ｓｉなどのｎ型
不純物やＭｇなどのｐ型不純物を含有させることもでき
る。
【００１５】活性層成膜後、成膜温度を１０５０℃に保
持して、原料ガスをＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）
ガス、ＴＭＧガス、窒素ガス、ドーパントガスとしてＣ
ｐ2Ｍｇガス及びキャリアガスとして水素ガスを流し、
ｐ型クラッド層となるＡｌＧａＮ層を成膜させる。ｐ型
クラッド層は結晶性を向上させためにＧａＮとＡｌＧａ
Ｎの超格子構造とさせることもできる。
【００１６】成膜温度を維持したまま、原料ガスをＴＭ
Ｇガス、窒素ガス、ドーピングガスとしてＣｐ２Ｍｇガ
ス及びキャリアガスとして水素ガスを流し、ｐ型コンタ
クト層となるＧａＮ層を成膜させることができる。
【００１７】こうして成膜させた窒化物半導体ウエハに
マスクをかけた後、エッチングにより本発明のごとく、
同一成膜基板上に電気的に分離され且つ、ｐｎ接合など
を持った複数の島状半導体の窒化物半導体を個々に形成
する。ｎ型電極を形成させるｎ型コンタクト層の一部及
び窒化物半導体を島状に分離させマスクを除去後、再び
電極形成用のマスクを形成させてスパッタリング法によ
りｐ型透光性電極としてＡｕを成膜させる。
【００１８】ｐ型台座電極としてＮｉ／Ａｕ及びｎ型台
座電極としてＷ／Ａｌを、あらかじめ図１のごとく配置
できるようにマスクを形成してある。電極形成後、電極
表面を残して、ＳｉＯ2により保護膜を形成させる。
【００１９】続いて島状に分離した４個の窒化物半導体
をひとまとめにして、ダイサー及びスクライバーにより
分離した溝に沿ってサファイア基板を切断する。
【００２０】次に、島状の窒化物半導体のｎ型台座電極
と、隣り合う島状の窒化物半導体のｐ型台座電極とをワ
イヤボンディングにより電気的に直列接続させる。より
具体的には、あらかじめ金線にボールを形成させた後、
島状窒化物半導体のｎ型台座電極或いはｐ型台座電極に
ボールボンディングさせる。ボールボンディングさせた
金線を延ばしつつ、隣り合う島状窒化物半導体のｐ型台
座電極或いはｎ型台座電極にステッチボンディングさせ
隣り合う島状窒化物半導体を直列接続させる。続いて、
成膜基板上に形成された窒化物半導体を固定させるワー
クを回転させることなく、一度ステッチボンディングさ
せたワイヤ上に再びボールボンディングを行う。続い
て、ステッチボンディング上にボールボンディングさせ
た金線を延ばしつつ、次に隣り合う隣り合う島状窒化物
半導体のｐ型台座電極或いはｎ型台座電極にステッチボ
ンディングさせ隣り合う島状窒化物半導体を電気的に直
列接続させる。なお、窒化物半導体の大きさが極めて小
さい場合、ボールボンディングをｎ型及びｐ型台座電極
に直接押しつけることによって一度に直列接続させるこ
ともできる。
【００２１】同一の発光面積を持った単一窒化物半導体
発光素子に比べて、同一成膜基板上に形成させた複数の
窒化物半導体からなる窒化物半導体発光素子の方が発光
効率が高い。そのために直列接続のみに限らず、並列接
続或いは直並列接続した本発明の窒化物半導体発光素子
とさせることもできる。また、各島状窒化物半導体を集
中して配置させることもできるし、図３のごとく、直線
上に配置させることもできる。サファイア基板３０５上
に形成させた島状の窒化物半導体素子３０１を図３
（Ａ）に示すようにワイヤー３０３で直列接続させる場
合、各島状窒化物半導体に抵抗を少なく電流を流す必要
があることからボワイヤボンディングにより直列接続さ
せることが好ましい。特に、ボールボンディングさせた
第一のボール部３０２の他方に形成されるステッチボン
ディング上には再びボールとして第二のボール部３０４
を形成することが好ましい。同様に図３（Ｂ）に示すご
とく並列接続させることもできる。
【００２２】島状窒化物半導体の個々の大きさが約１５
０μｍ角として上述の窒化物半導体発光素子を形成させ
る。また、本発明と比較のために発光面積がほぼ同様と
させ、一つの窒化物半導体を積層させた以外は同様にし
て約６００μｍ角の窒化物半導体発光素子を形成させ
る。本発明の窒化物半導体発光素子の発光強度を１００
として比較したところ、比較のための発光素子は８２％
にしかすぎなかった。本発明の窒化物半導体は一つの窒
化物半導体に比較して発光効率が優れていることが分か
ったが、島状窒化物半導体の個々の大きさがそれぞれ約
８０μｍより大きく、約３００μｍ未満において、より
量産性を満たしつつ効率を向上させることができる。し
たがって、より発光面積の大きい窒化物半導体を高輝度
に発光させるためには、個々に分割させた窒化物半導体
を直列に接続させた窒化物半導体とすることが好まし
い。なお、図においては、正方形の窒化物半導体素子の
みを示したが、サファイア基板の分離しやすさのために
菱形やフリップチップ実装を考慮した長方形としたもの
にも応用できる。
【００２３】
【発明の効果】本発明の窒化物半導体発光素子とするこ
とによって、大面積においても効率よく発光可能な窒化
物半導体発光素子とすることができる。また、ウエッジ
ボンダーでのステッチボンドではできなかった方向性な
くボンディングすることが可能となる。したがって、異
種混合されたパターンでのボンディグ可能化・ボンディ
グ時間の短縮・電極接合強度の向上を図ることが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の窒化物半導体発光素子の模式的平面
図である。
【図２】 図１のＡＡ断面における模式的断面図であ
る。
【図３】 図３（Ａ）は直列接続させた本発明の別の窒
化物半導体発光素子の模式的平面図であり、図３（Ｂ）
は、並列接続させた本発明の窒化物半導体発光素子の模
式的平面図である。
【図４】 本発明と比較のために示す窒化物半導体発光
素子の模式的平面図である。
【符号の説明】
１００…本発明の窒化物半導体発光素子 １０１…同一成膜基板上に形成された個々の島状窒化物
半導体 １０２…第一のボール部 １０３…ワイヤー １０４…スッテチボンディグ上に形成された第二のボー
ル部 １０５…サファイア基板 ２０１…バッファ層 ２０２…ｎ型コンタクト層 ２０３…多重量子井戸構造とされる活性層 ２０４…ｐ型クラッド層 ２０５…ｐ型コンタクト層 ２０６…透光性電極 ２０７…ｐ型台座電極 ２０８…絶縁性保護膜 ３００…直列接続された本発明の窒化物半導体発光素子 ３０1…同一成膜基板上に形成された個々の島状窒化物
半導体 ３０２…ワイヤーのボール ３０３…ワイヤー ３０４…スッテチボンディグ上に形成されたボール ３０５…サファイア基板 ３０１…並列接続された本発明の窒化物半導体発光素子 ４００…本発明と比較のために示された窒化物半導体発
光素子 ４０１…窒化物半導体層 ４０２…ｎ型電極 ４０３…透光性電極 ４０４…ｐ型電極

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上にｐ型及びｎ型に積層された少な
    くともＧａを含む窒化物半導体を有する発光素子であっ
    て、前記ｐ型及びｎ型に積層された少なくともＧａを含
    む窒化物半導体層は同一成膜基板上で電気的に複数分離
    してなり、それぞれ分離された個々の窒化物半導体層の
    電極を導電性ワイヤで電気的に直列及び／又は並列に接
    続されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
  2. 【請求項２】 前記導電性ワイヤは、それぞれ電気的に
    分離された個々の窒化物半導体層の電極をボールボンデ
    ィングを用いて順次結線されてなる請求項１に記載の窒
    化物半導体発光素子。
  3. 【請求項３】 前記窒化物半導体層の少なくとも一部の
    電極は、ステッチボンディングされたワイヤ上に、ボー
    ルボンディングされ隣接する窒化物半導体層の電極と電
    気的に接続されている請求項１に記載の窒化物半導体発
    光素子。
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