JP2006202845A

JP2006202845A - 半導体発光装置

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Publication number: JP2006202845A
Application number: JP2005010617A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Suzuki; 淳鈴木; Masato Doi; 正人土居; Tsuyoshi Biwa; 剛志琵琶; Hiroyuki Okuyama; 浩之奥山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2006-08-03
Also published as: US20060170001A1; US7956380B2

Abstract

【課題】ＩｎＧａＮ系半導体発光装置における寿命の問題、不良品の発生率の問題の解決を図ることができた半導体発光装置を提供するものである。
【解決手段】Ａｇ電極１２を有するＩｎＧａＮ系半導体発光装置であって、少なくともそのＡｇ電極１２のコンタクト側の半導体層３の転位密度が、１×１０^７［１／ｃｍ^２］以下の低転位半導体層として、この転位にそって発生するＡｇのマイグレーションによる短絡を回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置特にＩｎＧａＮ系半導体発光装置に関する。

半導体発光装置の、活性層がＩｎＧａＮ系半導体層による緑色ないしは青色発光ダイオードであるＩｎＧａＮ系半導体発光ダイオードは、例えば図５に模式的断面図を示すように、ｎ型のＧａＮによる第１のクラッド層３１と、ＩｎＧａＮ系の活性層３２と、ｐ型のＧａＮによる第２導電型の第２のクラッド層３３とが積層されて発光機能部３４を有し、そのｎ型側およびｐ型側に第１および第２の電極４１および４２が被着されて成る。
このような半導体発光ダイオードにおいて、そのｐ型側電極を高反射率のＡｇ電極とする構造（特許文献１参照）を適用することができる。このように、第２クラッド層３３側の第２の電極４２を反射率の高いＡｇ電極によって構成することによって、これとは反対側の第１のクラッド層３１側から光の取り出しを行うことによって光の取り出し効率を高めることができる。

ところが、この構成による場合、その寿命が数秒程度であるものなど、不良品の発生率が高いなどの問題が生じる。
特開平１１−１８６５９８号公報

本発明は、上述した半導体発光装置、特にＩｎＧａＮ系の半導体発光装置における寿命の問題、不良品の発生率の問題の解決を図ることができた半導体発光装置を提供するものである。
すなわち、本発明においては、上述した寿命の問題が、Ａｇ電極からのＡｇのマイグレーションに起因することを究明し、更に、このマイグレーションの発生原因を究明することができた新しい知見に基いて上述したマイグレーションの発生を効果的に回避する構成による例えば半導体発光ダイオードによる半導体発光装置を提供するものである。

本発明による半導体発光装置は、Ａｇ電極を有するＩｎＧａＮ系半導体発光装置であって、少なくとも上記Ａｇ電極のコンタクト側の半導体層の転位密度が、１×１０^７［１／ｃｍ^２］以下の低転位半導体層より成ることを特徴とする。
また、本発明による半導体発光装置は、上記ＩｎＧａＮ系半導体発光発光装置が、基板上に少なくとも第１のクラッド層と活性層と第２のクラッド層とを有する積層エピタキシャル成長層を有し、該積層エピタキシャル成長層が、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法による低転位エピタキシャル成長層より成ることを特徴とする。

また、本発明による半導体発光装置は、上記ＩｎＧａＮ系半導体発光装置
が、ＧａＮ基板上に少なくとも第１のクラッド層と活性層と第２のクラッド層とを有する積層エピタキシャル成長層が形成された低転位エピタキシャル成長層より成ることを特徴とする。
また、本発明による半導体発光装置は、その平面寸法の直径もしくは辺の長さが２０μｍ以下とされたことを特徴とする。

上述した本発明による半導体発光装置によれば、寿命の向上が図られることが確認された。
すなわち、本発明においては、前述したように、短寿命化の原因が、Ａｇ電極を用いることによるＡｇのマイグレーションに起因すること、またこのマイグレーションは、Ａｇ電極がコンタクトされた半導体層、具体的には第２クラッド層に発生した結晶の転位にそってＡｇの移動、すなわちマイグレーションが活性層に達するあるいは近接する位置に延びるように生じ、これによって、発光ダイオードに通電がなされると、Ａｇ電極と活性層を短絡する電流通路が形成され、此処に電流集中が生じ、一挙に上述した半導体発光装置の破壊が発生することを究明したものである。

これに対し、本発明においては、そのＡｇ電極のコンタクト側の半導体層が低転位密度、具体的には1×１０^７［１／ｃｍ^２］以下とするとき、長寿命化を図ることができることを究明したものである。
そして、この本発明構成による半導体発光装置においては、その大きさ、すなわち平面寸法が２０μｍ以下とする場合において、低転位密度の選定と、微小化による転位の存在の減少とが相俟って、より長寿命化が図られ、また、不良品の発生率の低下、したがって、歩留まりの向上を図ることができた。
すなわち、通常一般の半導体発光装置の発光ダイオード素子の平面寸法は、例えば各辺が３５０μｍの方形パターンを有するに比し、その直径もしくは各辺の長さが２０μｍ以下の構成とすることによって、低転位密度と転位が存在する確率の低減化との相乗作用によって実質的に転位の存在を効果的に低減できるものである。
そして、この低転位半導体層は、ＥＬＯによるエピタキシャル成長層、あるいはＧａＮ基板上に成長させたＧａＮ半導体層におけるように格子整合するエピタキシャル成長による構成とすることによって、上述した1×１０^７［１／ｃｍ^２］以下の転位密度を得ることができるものである。

本発明による半導体発光装置は、Ａｇ電極を有し、ＩｎＧａＮ系活性層による、ＩｎＧａＮ系半導体発光装置によるものであり、その実施の形態としてＩｎＧａＮ半導体発光ダイオードを例示説明するが、その構造、および製造手順はこの例に限定されるものではない。
図１は、この本発明によるＩｎＧａＮ活性層によるＩｎＧａＮ半導体発光ダイオードの一実施形態例の模式的断面図を示す。
この本発明による半導体発光ダイオードは、第１導電型例えばｎ型の例えば厚さ３μｍ〜３．５μｍ程度のＧａＮによる第１のクラッド層１と、厚さ例えば１５０ｎｍのＩｎＧａＮ系の活性層２と、厚さ例えば１００ｎｍ〜３８０ｎｍの第２導電型例えばｐ型のＧａＮによる第２導電型の第２のクラッド層３とが積層されて発光機能部４が構成されて成る。
そして、第１のクラッド層側に、第１の電極１１がオーミックに被着される。この第１の電極１１は、図１に示すように、例えば光透過開口１１Ｗを有するように一部に限定的に形成する。あるいは図示しないが網目状パターンに形成するとか、透明電極によって形成することができる。
また、第２のクラッド層側に、反射率の高いＡｇ電極による第２の電極１２がオーミックに被着形成される。

そして、本発明構成においては、上述したＡｇ電極による第２の電極１２がコンタクトされる側の半導体層、この例では第２のクラッド層３において、その転位密度が1×１０^７［１／ｃｍ^２］以下、望ましくは1×１０^６［１／ｃｍ^２］以下とされたＧａＮ層によって構成される。

このように、少なくともＡｇ電極による第２の電極１２がコンタクトされる第２のクラッド層３が、1×１０^７［１／ｃｍ^２］以下、望ましくは1×１０^６［１／ｃｍ^２］以下の転位密度とされた構成を有する半導体発光ダイオードは、後に図３を参照して説明するＥＬ０の適用による半導体層によって構成することができるものであり、図１の実施の形態例においては、この場合の構成を示すものである。

この構成において、第１および第２の電極１１および１２間に通電を行うことにより、発光機能部４の構成によって活性層２から発光が生じる。このときＡｇ電極による第２の電極１２に向かいこれによって反射された光は、その大部分が図１に矢印ａで示すように、第１の電極１１の光透過開口１１Ｗを通じて外部に取り出される。

この半導体発光ダイオードにおいて、チップサイズ(直径)を１４μｍとしたときの、転位密度を1×１０^６［１／ｃｍ^２］とした場合と、通常の転位密度を1×１０^９［１／ｃｍ^２］としたときの、直流電流１ｍＡすなわち連続発光によるエージング特性の測定結果を、図３に対比して示す。図３中実線曲線７１は、本発明による場合、図３中破線曲線７２は、転位密度を1×１０^９［１／ｃｍ^２］としたときの各特性で、図３において縦軸は、発光強度の初期値を１とした相対値として示したものであり、横軸がエージング時間(秒)を示したものである。これによれば、転位密度を1×１０^９［１／ｃｍ^２］としたとき、特性が急に低下する寿命が、数秒に過ぎないものであるに比し、転位密度を1×１０^６［１／ｃｍ^２］とした本発明構成によるときは、１０^４秒にも長寿命化されている。

図２は、本発明の他の実施形態例における模式的断面図を示す。
この例では、ＧａＮ基板１０上に、第１導電型例えばｎ型のＧａＮによる第１のクラッド層１と、ＩｎＧａＮ系の活性層２と、第２導電型例えばｐ型のＧａＮによる第２導電型の第２のクラッド層３とが積層されて発光機能部４が構成されて成る。
そして、第１のクラッド層側に、例えば光透過開口１１Ｗを有する第１の電極１１がオーミックに被着され、第２のクラッド層側に、発光波長に対して反射率の高いＡｇ電極による第２の電極１２がオーミックに被着形成されて成る。
この構成においては、ＧａＮ基板１０上に、これと良く格子整合するＧａＮ系の各半導体層１〜３がエピタキシャル成長されることから、これら半導体層における転位密度は、充分低減することができ、上述したように、少なくともＡｇ電極による第２のクラッド層３の電極密度は1×１０^７［１／ｃｍ^２］以下、望ましくは1×１０^６［１／ｃｍ^２］以下と
することができる。

次に、図１で説明した本発明の低転位半導体層による半導体発光ダイオードにおいて、その低転位半導体層をＥＬＯによって構成する場合の製造方法の一例を説明する。
まず、図４Ａに示すように、ＧａＮをエピタキシャル成長することができる例えば厚さ４３０μｍ程度のサファイア基板５０上に、第１導電型の例えばｎ型のＧａＮを例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によってエピタキシャル成長して第１のエピタキシャル成長半導体層５１を形成する第１のエピタキシャル成長工程を行う。このとき、半導体層５１には、細線ｂで模式的に示す転位が生じる。
この第１のエピタキシャル成長半導体層５１上に、この第１のエピタキシャル成長半導体層５１に対するエピタキシャル成長を阻止する例えば厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２によるマスク５２を蒸着、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって被着形成する。このマスク５２には、その一部に開口５２Ｗがフォトリソグラフィおよびエッチングによって穿設されて、この開口５２Ｗを通じてエピタキシャル成長半導体層５１の一部を外部に露呈させる。

次に、図４Ｂに示すように、第２のエピタキシャル成長工程によって、第１導電型の例えばｎ型のＧａＮを、ＭＯＣＶＤによってエピタキシャル成長させる。このとき、マスク５２上にはエピタキシャル成長されず、その開口５２Ｗを通じて外部に露呈した第１のエピタキシャル成長半導体層５１上にエピタキシャル成長半導体層５３Ｗが生じてくる。

このエピタキシャル成長を続いて更に行うと、図４Ｃに示すように、開口５２Ｗに成長した半導体層５３Ｗからマスク５２上に渡って第２のエピタキシャル成長半導体層５３が成長する。この第２のエピタキシャル成長半導体層５３における、転位欠陥は図４Ｂにし示した厚さ方向に延びた転位が半導体層の成長方向に、すなわちその面方向に屈曲して成長する。
したがって、この第２のエピタキシャル成長半導体層５３は、その厚さ方向に横切る転位の発生が殆ど生じることがなく、見かけ上その転位密度は、低減される。
したがって、この方法によれば、この半導体層５３における転位密度は、実質的に上述した1×１０^７［１／ｃｍ^２］以下、更には1×１０^６［１／ｃｍ^２］以下とすることができる。
そこで、この第２の半導体層５３上に、例えば図１で示した第１のクラッド層１、活性層２および第２のクラッド層３を順次エピタキシャル成長させ、このマスク５２上における転位が面方向に屈曲した領域を半導体発光ダイオードとして用い、上述したＡｇ電極１２を被着して目的とする半導体発光ダイオードを切り出す。
また、この構成において、例えばサファイア基板による基板５０およびマスク５２を必要に応じて除去し、この除去された面に上述した第１の電極１１を形成することができる。

このように本発明による半導体発光ダイオード素子によれば、転位密度の低減化を図ったことから、第２の電極１２をＡｇ電極としたにもかかわらず、Ａｇのマイグレーションを効果的に回避できるものであり、これによって寿命の低下、不良品の発生率が高まる不都合を回避することができる。

上述した実施の形態例においては、ＩｎＧａＮ系半導体発光装置が、ＩｎＧａＮ活性層によるＩｎＧａＮ半導体発光ダイオードである場合について説明したが、例えば紫外域発光の同様にＡｇ電極が用いられたＩｎＡｌＧａＮ半導体発光装置においても、上述したマイグレーションの問題が発生するものであり、本発明は、このＩｎＡｌＧａＮ半導体発光装置に適用して同様の効果を奏することができる。
このＩｎＡｌＧａＮ半導体発光ダイオードの構成は、上述したＩｎＧａＮ半導体発光ダイオードの実施形態例において、その活性層２がＩｎＡｌＧａＮによる構成とする以外は、同様の構成によることができるものである。
したがって、この半導体発光装置においても、Ａｇのマイグレーションを効果的に回避できるものであり、これによって寿命の低下、不良品の発生率が高まる不都合を回避することができる。

本発明による半導体発光装置の一例の模式的断面図である。本発明による半導体発光装置の他の例の模式的断面図である。本発明構成と従来構成の転位密度とエージング特性の関係の測定結果を示す図である。Ａ〜Ｃは、本発明による半導体発光ダイオードの製造方法の工程図である。従来の半導体発光ダイオードの模式的断面図である。

符号の説明

１，３１……第１のクラッド層、２，３２……活性層、３，３３……第２のクラッド層、４，３４……発光機能部、１１，４１……第１の電極、１２，４１……第２の電極、５１……第１のエピタキシャル成長半導体層、５２……マスク、５３……第２のエピタキシャル成長半導体層

Claims

Ａｇ電極を有するＩｎＧａＮ系半導体発光装置であって、
少なくとも上記Ａｇ電極のコンタクト側の半導体層の転位密度が、
１×１０^７［１／ｃｍ^２］以下の低転位半導体層より成ることを特徴とする半導体発光装置。
上記ＩｎＧａＮ系半導体発光ダイオードが、少なくとも第１のクラッド層と活性層と第２のクラッド層とを有する積層エピタキシャル成長層を有し、
該積層エピタキシャル成長層が、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法による低転位エピタキシャル成長層より成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
上記ＩｎＧａＮ系半導体発光装置が、ＧａＮ基板上に少なくとも第１のクラッド層と活性層と第２のクラッド層とを有する積層エピタキシャル成長層が形成された低転位エピタキシャル成長層より成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
上記半導体発光装置の平面寸法の直径もしくは辺の長さが２０μｍ以下とされたことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。