JP2010192923A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用い、この基板の発光層を含む積層構造が形成されていない裏面側を主発光面側とする発光素子において、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができる新規な構造を提供する。
【解決手段】ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板１の上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型層２と発光層４とｐ型層６との積層構造が設けられ、ｎ側電極８を、前記積層構造の表面側からその一部を除去させて露出された前記ｎ型層２の表面に接して設けることによって、主発光面側に配置される電極を不要とし発光素子直上の配光分布を均一なものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は発光ダイオードに利用される半導体発光素子に係り、特に窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用いた窒化ガリウム系化合物発光素子に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されるようになっており、青色や緑色の発光ダイオードの分野での展開が進んでいる。

可視光で発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基本的には、サファイアやＳｉＣ等からなる基板の上にバッファ層を介して、ｎ型クラッド層と、発光層となるＩｎＧａＮからなる発光層と、ｐ型クラッド層とを積層させたものが主流である。特に、近来では、基板にサファイアを用い、有機金属気相成長法により、ＧａＮやＡｌＮ等からなる低温成長バッファ層を介してダブルへテロ構造を成長させたものは、高輝度で信頼性が高く、屋外用のパネルディスプレイ用発光ダイオード等に広く用いられるようになってきている。

しかしながら、最近、ＧａＮからなる基板が作製されるようになり、これを用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子がいくつか提案されるようになってきている。例えば、特許文献１には、ＧａＮを基板とし基板の上にｐ−ｎ接合を含む積層体を形成させた青色発光素子が開示されている。この公報によれば、ＧａＮを基板として用い他の赤色発光ダイオード等と同様に対向する電極の間に基板が存在する構造が可能となり、電極位置に対する制約をなくすることができるとされている。

また、特許文献２においては、ｎ型ＧａＮからなる基板を用い、基板の側を主発光面側とすることができる発光素子が開示されている。

図３は、上記公報において示された従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。ｎ型のＧａＮからなる基板１１の上には、ｎ型クラッド層１２と、発光層１３と、ｐ型クラッド層１４とが順次積層されており、基板１１の積層面側でない一面の上の一部にｎ側電極１５が設けられ、ｐ型クラッド層１４の上の全面にわたってｐ側電極１６が設けられている。ｐ側電極１６を下向きに実装することにより、ｎ側電極１５を設けた面の側を主発光面側とし、面発光を得ることができる。このような構成によれば、電流−光出力特性が改善された安価な発光素子を提供することができるとされている。

特開平７−９４７８４号公報 特開平１０−１５０２２０号公報

しかしながら、図３に示す従来の構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、ＧａＮからなる基板１１が発光層１３からの発光に対し透明であるので、基板１１に設けたｎ側電極１５の側を主発光面とすることができる。このｎ側電極１５は、通常、ワイヤボンディング用のパッドとして用いられるため、発光に対し透過性を有しない程度の厚膜で形成される。

したがって、この電極の下の発光層１３で発せられ基板１１の主発光面の側へ向かう光は、厚膜のｎ側電極１５で遮られてしまうこととなる。このため、発光素子の上方における配光特性は、ｎ側電極１５を形成した領域の上部で落ち込む凹状の分布となる。このような分布の配光特性は、発光素子直上で均一な配光特性と高い発光強度を必要とする用途においては望ましくないという問題がある。

このような凹状の分布を回避しようとして主発光面となる基板１１の面積を大きくするためにｎ側電極１５のサイズを小さくすると、ワイヤボンディングの作業が困難となるので、ｎ側電極１５のサイズを小さくすることは好ましくない。したがって、ボンディング等の電気的接続の作業性を確保してもなお発光特性を改善することができる発光素子が望まれている。

本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用い、この基板の側を主発光面側とする発光素子において、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができる新規な構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の発光ダイオードは、第一の主面と第二の主面を有する透光性のｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板の第一の主面上に、少なくとも窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型層と発光層とｐ型層との積層構造が設けられ、ｎ側電極が前記積層構造の表面側からその一部を除去させて露出された前記ｎ型層の表面に接して設けられ、ｐ側電極が前記ｐ型層の表面に接して設けられ、前記基板の前記第二の主面が主発光面である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子をＡｕバンプにより接着させたことを特徴とする。

このような構成によれば、発光素子直上での配光特性を改善することができるとともに、発光強度を高く保持することが可能となる。

以上のように本発明によれば、窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板を用い、この基板の発光層を含む積層構造が形成されていない裏面側を主発光面側とする発光素子において、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができるので、発光素子直上で均一な配光分布が望まれる表面実装型発光ダイオードや発光素子を基板上に複数配列させたライン状光源などの用途に好適に用いることができる。

また、発光素子直上での発光強度を高く保持することができるので、従来の砲弾形状の樹脂レンズ付き発光ダイオードにも用いることができる。

本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図 本発明の他の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図 従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図

本発明の実施の形態の具体例を、図１を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に、本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示す。

図１において、ｎ型のＧａＮからなる基板１の上に、ＧａＮからなるｎ型層２と、ＩｎＧａＮからなる発光層４と、ＡｌＧａＮからなるｐ型層６、が順次積層されている。ｐ型層６の表面上にはｐ側電極７が形成されており、ｐ型層６の表面側から、ｐ型層６と発光層４とｎ型層２の一部をエッチングにより除去して露出されたｎ型層２の表面上に、ｎ側電極８が形成されている。

基板１には、ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体（Ｉｎ_aＡｌ_bＧａ_1-a-bＮ（但し、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１））を使用することができるが、良好な結晶性が得られやすいＡｌ_cＧａ_1-cＮ（但し、０≦ｃ≦１）が望ましい。中でも、製造が比較的容易で、かつ最も良好な結晶性が得られるＧａＮからなるものを使用することが最も好ましい。基板１にはＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされて、その電子濃度を概略１×１０¹⁶ｃｍ^-3から１×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲に制御されたものを用いる。電子濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3よりも低くなると、抵抗率が高くなり、基板１に注入された電子が基板１で広がりにくくなる傾向にあるからであり、１×１０¹⁹ｃｍ^-3よりも高くなると、ｎ型不純物を高濃度にドープしたことに起因して基板１の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。

ｎ型層２には、発光層４よりもバンドギャップの大きいｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。これにより、ｎ型層２にｎ型クラッド層としての機能を付与できる。ｎ型層２には、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の単層、若しくはこれらの層を積層したものを用いることができる。基板１にＧａＮを用いる場合には、少なくとも基板１に接してＧａＮ層を用いることが望ましい。

ｎ型層２は、少なくともｎ側電極８が形成される層において、ＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされて、その電子濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上で１×１０¹⁹ｃｍ^-3未満とすることが望ましい。電子濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3よりも低くなると、ｎ側電極８とのオーミック接触抵抗が高くなり、発光素子の動作電圧が高くなるからであり、１×１０¹⁹ｃｍ^-3よりも高くなると、ｎ型不純物を高濃度にドープしたことに起因してｎ型層２の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。

ｎ型層２の層厚は、０．１μｍ以上とすることが望ましい。０．１μｍよりも薄いとエッチングによりｎ型層２内にｎ側電極８を形成するための露出面を形成する際のエッチング精度が非常に厳しくなるからである。ｎ型層２の層厚の上限は特にはないが、露出面を形成する際のエッチング精度を緩和するとともに、ｎ型層２の形成時間を不必要に長くならないようにするため、５μｍ以下程度とすることが望ましい。

ｎ型層２は、ｎ型層２内での電流（電子）の広がりを促進するために、ｎ側電極８が形成される層よりも発光層４側において、電流拡散層として、相対的に電子濃度の低い層（抵抗率の高い層）を設けるか、又は、相対的にバンドギャップの大きい層を設けることが望ましい。これらの電流拡散層を設けることにより、ｎ型層２内で電子が一時的に発光層４側へ流れにくくなり、ｎ型層２の面内で電子が均一に広がり、これにより発光層４への均一な電子の注入が実現できるため、発光層４における発光分布が均一となり、その結果、基板１の裏面側の主発光面で均一な面発光が得られるからである。具体的な構成として、基板１にＧａＮを用いる場合には、基板１側から順に、第一のｎ型層としてＧａＮを、第二のｎ型層としてＡｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、０≦ｘ≦０．２）を設けることが望ましい。さらに第二のｎ型層の上に、第三のｎ型層としてＧａＮを設けることもできる。ここで、第一のｎ型層はｎ側電極８が形成される層であり、第二のｎ型層と第三のｎ型層は電流拡散層となる。第二のｎ型層と第三のｎ型層は、ｎ型不純物がドープされても良く、アンドープとされても良い。第二のｎ型層の層厚、あるいは第二のｎ型層と第三のｎ型層の合計の層厚は、０．００２μｍ以上で０．２μｍ以下の範囲であることが望ましい。０．００２μｍよりも薄いと電流広がりの効果が小さくなる傾向にあり、０．２μｍよりも厚くなると発光素子の直列抵抗が高くなって動作電圧が高くなるからである。そして、第二のｎ型層の層厚、あるいは第二のｎ型層と第三のｎ型層の合計の層厚に応じて電子濃度を調整することで、電流広がりの効果を奏しながら直列抵抗の低減を図ることができる。本発明者らの知見によれば、層厚を厚くするとともに電子濃度を高くすると良い。

発光層４には、ｎ型層２並びにｐ型層６のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。特に、Ａｌを含まないＩｎＧａＮやＧａＮを用いると、紫外から緑色の波長域での発光強度を高くすることができる。発光層４がＩｎを含む場合は、膜厚を０．０１μｍよりも薄くして単一量子井戸層とすると、発光層４の結晶性を高めることができ、発光効率をより一層高めることができる。

また、発光層４は、ＩｎＧａＮやＧａＮからなる量子井戸層と、この量子井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなる障壁層とを交互に積層させた多重量子井戸構造とすることもできる。

ｐ型層６には、発光層４よりもバンドギャップの大きいｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。これにより、ｐ型層６にｐ型クラッド層としての機能を付与できる。ｐ型層６には、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の単層、若しくはこれらの層を積層したものを用いることができる。特に、発光層４に接する側のｐ型層としてＡｌＧａＮを用いると、発光層４への電子の閉じ込めを効率的に行うことができ、発光効率を高くすることができるので好ましい。

ｐ型層６は、ｐ型不純物がドープされて、ｐ型伝導とされている。ｐ型不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ等を用いることができるが、比較的容易にｐ型とすることができるＭｇを用いることが好ましい。ｐ型不純物濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上で５×１０²⁰ｃｍ^-3未満とすることが望ましい。ｐ型不純物濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3よりも低くなると、ｐ側電極７とのオーミック接触抵抗が高くなり、発光素子の動作電圧が高くなるからであり、５×１０²⁰ｃｍ^-3よりも高くなると、ｐ型不純物を高濃度にドープしたことに起因してｐ型層６の結晶性が悪くなる傾向になるとともに、発光層４へのｐ型不純物の拡散が顕著になり、発光効率が低下するからである。

ｐ型層６に比較的高い濃度のｐ型不純物をドープする際は、ｐ型不純物の発光層４への過剰な拡散を抑制するために、発光層４とｐ型層６の間に、中間層を導入することもできる。この中間層には、ＩｎＡｌＧａＮを用いることができるが、特に、ＧａＮを用いると、発光層４との界面の結晶性を良好に保つことができるので好ましい。中間層は、発光層４の方向に拡散するｐ型不純物の吸収層としての役目を果たすために、アンドープであることが好ましい。中間層の層厚は、０．００１μｍ以上で０．０５μｍ以下の範囲であることが望ましい。０．００１μｍよりも薄いとｐ型不純物の発光層４への拡散を抑制する効果が小さくなり、０．０５μｍよりも厚くなると発光層４への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下するようになるからである。

ｐ型層６の層厚は、０．０５μｍ以上で０．５μｍ以下の範囲とすることが好ましい。０．０５μｍよりも薄いとｐ側電極７の構成金属がエレクトロマイグレーション等による発光層４への侵入により、発光素子の寿命が低下しやすくなり、０．５μｍよりも厚くなると電流（正孔）がｐ型層６を通過する際の電圧降下が増大し、発光素子の動作電圧が高くなるからである。

ｐ型層６のｐ側電極７に接する側は、バンドギャップの比較的小さいＧａＮやＩｎＧａＮとすることができる。これにより、ｐ側電極７との接触抵抗を小さくでき、動作電圧の低減を効果的に行うことができる。

ｐ側電極７には、ＡｕやＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ等の単体金属、あるいはそれらの合金や積層構造を用いることができる。特に、発光波長に対する反射率が高いＡｇ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ等の金属を用いると、発光層４からｐ側電極７の側へ向かう光を反射させて、基板１の裏面側から取り出すことができるので、発光強度向上の面で好ましい。

ｎ側電極８は、ｎ型層２の上に形成された発光層４とｐ型層６からなる積層構造の表面側からこれらの一部を除去させて露出させたｎ型層２の表面に接して形成される。ｎ側電極８をこのように配置する構成とすることにより、基板１の前記積層構造を形成していない裏面側を主発光面とすることができ、主発光面において均一な面発光が得られる。

ｎ側電極８には、ＡｌやＴｉ等の単体金属、またはＡｌやＴｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ等を含む合金、若しくはそれらの積層構造を用いることができる。
（実施の形態２）

以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の具体例について図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、主として有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものであるが、成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法や有機金属分子線エピタキシー法等を用いることも可能である。

図２は本発明の他の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。

本実施の形態においては、図２に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。

まず、表面を鏡面に仕上げられた厚さ約３００μｍ、直径約５０ｍｍのウェハー状のＧａＮからなる基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１の温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガスを４リットル／分、窒素ガスを４リットル／分、アンモニアを２リットル／分で流しながら基板１を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行った。

次に、基板１の温度を１１００℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素ガスを１５リットル／分及び水素ガスを４リットル／分で流しながら、アンモニアを２リットル／分、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと略称する。）を８０μｍｏｌ／分、１０ｐｐｍ希釈のモノシランを１０ｃｃ／分、で供給して、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型層２を２μｍの厚さで成長させた。このｎ型層２の電子濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。

ｎ型層２を成長後、基板１の温度を１１００℃に保持したままで、モノシランの供給を止め、キャリアガスとして窒素ガスを１５リットル／分及び水素ガスを４リットル／分で流しながら、アンモニアを２リットル／分、ＴＭＧを４０μｍｏｌ／分、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと略称する。）を３μｍｏｌ／分、で供給して、アンドープのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ型層３を０．０５μｍの厚さで成長させた。このｎ型層３の電子濃度は５×１０¹⁶ｃｍ^-3であった。

ｎ型層３を成長後、ＴＭＧとＴＭＡの供給を止め、基板１の温度を７００℃まで降下させ、この温度に維持して、キャリアガスとして窒素ガスを１５リットル／分で流しながら、アンモニアを６リットル／分、ＴＭＧを４μｍｏｌ／分、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと略称する。）を１μｍｏｌ／分、で供給して、アンドープのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる単一量子井戸構造の発光層４を０．００２μｍの厚さで成長させた。

発光層４を成長後、ＴＭＩの供給を止め、キャリアガスとして窒素ガスを１５リットル／分で流しながら、アンモニアを６リットル／分、ＴＭＧを２μｍｏｌ／分で供給して、基板１の温度を１０５０℃に向けて昇温させながら、アンドープのＧａＮからなる中間層５を０．００４μｍの厚さで成長させた。

基板温度が１０５０℃に達したら、キャリアガスとして窒素ガスを１５リットル／分及び水素ガスを４リットル／分で流しながら、アンモニアを２リットル／分、ＴＭＧを４０μｍｏｌ／分、ＴＭＡを３μｍｏｌ／分、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ₂Ｍｇと略称する。）を０．１μｍｏｌ／分、で供給して、ＭｇをドープしたＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｐ型層６を０．２μｍの厚さで成長させた。このｐ型層６のＭｇ濃度は１×１０²⁰ｃｍ^-3であった。

ｐ型層６を成長後、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ₂Ｍｇの供給を止め、窒素ガスを８リットル／分、アンモニアを２リットル／分で流しながら、基板１の温度を室温程度にまで冷却させて、基板１の上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されたウェハーを反応管から取り出した。

このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造に対して、別途アニールを施すことなく、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を堆積させた後、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより略方形状にパターンニングしてエッチング用のＳｉＯ₂マスクを形成させた。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型層６と中間層５と発光層４とｎ型層３とｎ型層２の一部を約０．５μｍの深さで積層方向と逆の方向に向かって除去させて、ｎ型層２の表面を露出させた。そして、フォトリソグラフィーと蒸着法により、露出させたｎ型層２の表面上の一部に、０．１μｍ厚のＴｉと０．５μｍ厚のＡｕを積層したｎ側電極８を蒸着形成させた。さらに、エッチング用のＳｉＯ₂マスクをウェットエッチングにより除去させた後、フォトリソグラフィーと蒸着法により、ｐ型層６の表面上のほぼ全面に、０．３μｍ厚のＰｔと０．５μｍ厚のＡｕとからなるｐ側電極７を蒸着形成させた。

この後、基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度の厚さに調整し、スクライブによりチップ状に分離した。このようにして、図２に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られた。

この発光素子を、電極形成面側を下向きにして、正負一対の電極を有するＳｉダイオードの上にＡｕバンプにより接着させた。このとき、発光素子のｐ側電極７およびｎ側電極８が、それぞれＳｉダイオードの負電極および正電極と接続されるようにして発光素子を搭載する。この後、発光素子を搭載させたＳｉダイオードを、Ａｇペーストによりステム上に載置し、Ｓｉダイオードの正電極をステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク発光波長４７０ｎｍの青色で発光し、基板１の裏面側から均一な面発光が得られた。このときの発光出力は３ｍＷであり、順方向動作電圧は３．４Ｖであった。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、発光素子直上での配光特性を改善するとともに、発光強度を高く保持することができるので、発光素子直上で均一な配光分布が望まれる発光ダイオードなどに好適である。

１ 基板
２ ｎ型層
３ ｎ型層
４ 発光層
５ 中間層
６ ｐ型層
７ ｐ側電極
８ ｎ側電極

Claims (1)

1. 第一の主面と第二の主面を有する透光性のｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板の第一の主面上に、少なくとも窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型層と発光層とｐ型層との積層構造が設けられ、ｎ側電極が前記積層構造の表面側からその一部を除去させて露出された前記ｎ型層の表面に接して設けられ、ｐ側電極が前記ｐ型層の表面に接して設けられ、前記基板の前記第二の主面が主発光面である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子をＡｕバンプにより接着させたことを特徴とする発光ダイオード。