JP2003078168A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パッド電極の形成またはワイヤ接合時に発生
するクラックを防止することにより発光効率を高めた窒
化物半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 発光層を含む複数の窒化物半導体層を含
む窒化物半導体積層構造体と、この積層構造体上に窒化
物半導体層とシリコン層を含む台座電極とを含み、台座
電極上に形成されたパッド電極をさらに含むことを特徴
とする窒化物半導体発光素子において、台座電極はパッ
ド電極形成時またはパッド電極へのワイヤ接合時に発光
素子に発生する応力を緩衝し、台座電極に含まれるシリ
コン層は発光素子を成長させる基板として利用され得る
ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は青色領域から紫外光
領域で発光可能な窒化物半導体発光素子に関し、特に窒
化物半導体発光素子におけるクラックの発生を防止し得
る電極構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、窒化物半導体発光素子は青色
発光素子として利用できることが知られており、近年で
は青色の発光ダイオードや青紫色の半導体レーザなどが
研究されている。かかる窒化物半導体発光素子の構造と
しては、特開平１１−１７７１４２号公報においてＧａ
Ｎ系の半導体層等の積層体にｐ型パッド電極を直接形成
したものが開示されている。この構造を図５に示す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら特開平１
１−１７７１４２号公報に開示されたように、窒化物半
導体層に直接パッド電極を形成する手法をとった場合に
は、パッド電極を形成する際に発光素子に発生する応力
のために発光素子にクラックが生じることがある。ま
た、発光素子に発光素子外部から電流を供給するために
はパッド電極に金属製のワイヤを接合する加工等をする
必要があるが、この加工をする際にも発光素子に応力が
発生するため、発光素子にクラックが生じ得る。したが
って、クラックが発生した発光素子に外部から電流を供
給した場合には、発光素子においてクラックを介して電
流が流れるため、電気的に短絡してしまい、発光素子が
発光しないという問題があった。

【０００４】そこで、本発明では窒化物半導体発光素子
において、パッド電極の形成またはワイヤの接合等の際
に発光素子に生じるクラックの発生および発光素子の短
絡を防止し、ひいては発光素子の信頼性向上を可能にす
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、発光層を含む複数の窒化物半導体層から
成る窒化物半導体積層構造体と、この積層構造体上に窒
化物半導体層とシリコン層を含む台座電極とを含み、こ
の台座電極上に形成されたパッド電極をさらに含む窒化
物半導体発光素子であることを特徴としている。

【０００６】台座電極に含まれるシリコン層は、上述の
窒化物半導体積層構造体を成長させる基板として利用さ
れたものであり得る。このシリコン層は、導電性または
非導電性でもよく、好ましくは導電性である。

【０００７】また、台座電極に含まれる窒化物半導体層
は、上述の窒化物半導体積層構造体を成長させる際のバ
ッファ層として利用されたものであり得る。この窒化物
半導体層は導電性または非導電性の性質を有する。

【０００８】また、台座電極表面またはパッド電極表面
または窒化物半導体積層構造体の発光面に透明導電膜を
含めることもできる。

【０００９】また、台座電極に含まれる窒化物半導体層
が非導電性である場合には、この窒化物半導体層は電流
阻止層として機能し得る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明についてより詳細に
説明する。

【００１１】本発明における窒化物半導体発光素子は、
たとえば、ｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒化物半
導体層、ｐ型窒化物半導体コンタクト層を順次積層した
構造体から成り、さらにｐ型窒化物半導体コンタクト層
上にｐ型電極層およびｐ型台座電極層を順次形成した構
造体を含み、その構造体上に窒化物半導体層とシリコン
層を含む台座電極を含み、この台座電極上に形成された
パッド電極を含んでいる。ただし、上述した構造体の構
成は上記に限られない。また、台座電極に含まれる窒化
物半導体層および構造体に含まれる発光層を含む窒化物
半導体層の材質としては、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０
≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）等がある。また、発光層と
してはＭＱＷ（多重量子井戸）発光層またはＳＱＷ（単
一量子井戸）発光層等がある。

【００１２】ここで、台座電極に含まれるシリコン層は
上述の積層構造体等を成長させる基板となり得る。すな
わち、上述の窒化物半導体発光素子の構成において説明
すると、この窒化物半導体発光素子は台座電極に含まれ
るシリコン層上にｎ型窒化物半導体層、発光層、ｐ型窒
化物半導体層、ｐ型窒化物半導体コンタクト層を順次積
層した後、ｐ型電極層、ｐ型台座電極層を順次形成し、
台座電極をエッチング等の手法で円形状または正方形状
等に形成することにより作製され得る。ここで、台座電
極は積層構造体の中央の位置に作製することが好まし
い。また、台座電極の形状は円形状、正方形状等に限ら
れない。また、シリコン層のシリコン以外の材質として
は、導電性または非導電性であるＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｉ
ｎＰ等であることが好ましい。

【００１３】この場合には特開平１１−１７７１４２号
公報において開示されたように半導体層上に直接、別個
にパッド電極を形成するのではなく、台座電極に含まれ
るシリコン層上に発光素子を成長させ、台座電極の形状
を整えた後に台座電極上にパッド電極を形成することと
なる。したがって、パッド電極を台座電極上に形成する
際に発光素子に発生する応力を台座電極が緩衝し得るこ
とから、発光素子にかかる応力を軽減し得る。

【００１４】また、発光素子外部から電流を注入する場
合には、パッド電極にワイヤボンディング等する必要が
あるが、この際にも発光素子に生じる応力を台座電極が
緩衝し得ることから、発光素子にかかる応力を軽減し得
る。

【００１５】したがって、本発明においては、パッド電
極を設置する際およびパッド電極にワイヤボンディング
する際の発光素子におけるクラックの発生を防止し得
る。

【００１６】さらにこの場合には、金属、絶縁体膜等の
蒸着等により発光素子上に電極を別個形成したり、再成
長させたりする製造工程の必要がないため、金属、絶縁
体膜等を形成する場合の熱サイクルや熱応力等による発
光素子の歪みから生じるクラックを防止し得るだけでな
く、本発明における窒化物半導体発光素子の製造歩留り
および製品のコストパフォーマンスを向上し得る。

【００１７】また、台座電極に含まれる窒化物半導体層
は、シリコン層上に上述の積層構造体を成長させる場合
にはバッファ層として使用され得る。また、この窒化物
半導体層は、導電性または非導電性の性質を有してい
る。この窒化物半導体層が導電性である場合には、台座
電極上のパッド電極にＡｕ等のワイヤをボンディングす
ることにより、このワイヤから台座電極を通して発光素
子内部へ電流を注入し得る。

【００１８】また、この窒化物半導体層が非導電性であ
る場合には、電流阻止層として利用することもでき、窒
化物半導体層の下方に位置する発光層に電流を注入する
ことがないことから、この窒化物半導体層の下方に位置
する発光層からは発光することがない。したがって、発
光素子の発光層から発生した光がこの窒化物半導体層を
含む台座電極上に設置された光を透過しない金属等から
なるパッド電極等によって遮られることがないため、窒
化物半導体発光素子の外部発光効率を向上させることが
できる。さらにまた、この窒化物半導体層が非導電性で
ある場合には台座電極表面またはパッド電極表面または
発光素子の発光面等に透明導電膜を設置することによ
り、発光面上に均一に電流を拡げ、均一に発光すること
ができる。

【００１９】また、パッド電極はＡｕ等の材質からなっ
ており、台座電極上に蒸着等の方法により設置され得
る。このパッド電極に外部電流注入用等のＡｕ等のワイ
ヤがボンディングされ得る。この接合方法としては、熱
圧着と超音波圧着の併用による方法が好ましい。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の窒化物半導体発光素子の具体
的実施例を示すが、本発明はこれらの実施例により何ら
限定されるものではない。

【００２１】（実施例１）図１は本発明の実施例１によ
って作製された窒化物半導体発光素子の模式的な断面図
である。図１に示された実施例１による窒化物半導体発
光素子構造１０００は、Ｓｉからなる導電性基板１およ
びＧａＮからなる窒化物半導体導電性バッファ層２１に
より構成されるｎ型台座電極７７、ｎ型パッド電極７、
Ａｕワイヤ１０、ｎ型窒化物半導体層３、発光層４、ｐ
型窒化物半導体層５、ｐ型窒化物半導体コンタクト層
６、ｐ型電極９１およびｐ型台座電極９を含んでいる。
ｐ型電極９１とｐ型台座電極９は金属膜からなり、発光
層４から発生した光を透過しないのに対して、ｎ型窒化
物半導体層３は発光に対して透明であることから、本発
明の窒化物半導体発光素子はｎ型窒化物半導体層３表面
から発光することとなる。

【００２２】図１の窒化物半導体発光素子を作製する場
合、まず、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）装置内に
導電性基板１をセットし、この導電性基板１上に窒化物
半導体導電性バッファ層２１を１５０ｎｍの厚さに成長
させ、順次ｎ型窒化物半導体層３を４００ｎｍの厚さ
に、発光層４を５０ｎｍの厚さに、ｐ型窒化物半導体層
５を１０ｎｍの厚さに、そしてｐ型窒化物半導体コンタ
クト層６を２００ｎｍの厚さに成長させたウエハを形成
する。

【００２３】次に、装置からウエハを取り出し、ｐ型窒
化物半導体コンタクト層６表面上にｐ型電極９１として
Ｐｄ（パラジウム）を５０ｎｍの厚さに、そしてその上
にｐ型台座電極９としてＮｉ（ニッケル）を８０μｍの
厚さに形成する。

【００２４】次に、フォト工程により導電性基板１をフ
ッ酸系エッチング液にて不要な部分を除去し、円形状に
加工する。このとき直径を１００μｍに形成する。ま
た、このときこの円形状以外の領域では窒化物半導体導
電性バッファ層２１が露出している。

【００２５】次に、ドライエッチング法、ここではＲＩ
Ｅ（反応性イオンエッチング）法を用いてこの窒化物半
導体導電性バッファ層２１を塩素系ガスを用いてエッチ
ングし、上記ｎ型窒化物半導体層３を露出させる。この
加工により、直径１００μｍの円形状の導電性基板１と
窒化物半導体導電性バッファ層２１からなるｎ型台座電
極７７が形成される。ここで、ｎ型台座電極７７はｎ型
窒化物半導体層３の発光表面のほぼ中心に形成される。

【００２６】次に、ｎ型台座電極７７上にＡｕからなる
ｎ型パッド電極７を０．５μｍの厚さに形成する。

【００２７】次に、上述のように加工を終了したウエハ
を３５０μｍ角の四角形のチップとし、このチップのｐ
型台座電極９側をリードフレームのカップ部に乗せた
後、ｎ型パッド電極７にＡｕワイヤ１０を接合する。

【００２８】こうして形成された実施例１における窒化
物半導体発光素子は、従来技術のように窒化物半導体層
上に直接、パッド電極を設置する構成ではない。したが
って、従来技術よりも窒化物半導体発光素子においてク
ラックの発生等による短絡および不均一な発光パターン
の発生を防止でき、窒化物半導体発光素子の製造歩留り
を向上させることができた。さらに、ｎ型台座電極７７
に含まれる導電性基板１を発光素子層を成長させる基板
として利用することから、窒化物半導体発光素子の作製
が従来技術よりも容易となった。

【００２９】（実施例２）図２は本発明の実施例２によ
って作製された窒化物半導体発光素子の模式的な断面図
である。図２に示された実施例２による窒化物半導体発
光素子構造２０００は、Ｓｉからなる導電性基板１およ
びＡｌＮからなる窒化物半導体バッファ層２により構成
されるｎ型台座電極７７、ｎ型パッド電極７、Ａｕワイ
ヤ１０、ｎ型窒化物半導体層３、発光層４、ｐ型窒化物
半導体層５、ｐ型窒化物半導体コンタクト層６、透光性
電極８、ｐ型電極９１およびｐ型台座電極９を含んでい
る。

【００３０】図２の窒化物半導体発光素子を作製する場
合、まず、ＭＯＣＶＤ装置内に導電性基板１をセット
し、この導電性基板１上に窒化物半導体バッファ層２を
１００ｎｍの厚さに成長させ、順次ｎ型窒化物半導体層
３を５００ｎｍの厚さに、発光層４を４０ｎｍの厚さ
に、ｐ型窒化物半導体層５を５ｎｍの厚さに、そしてｐ
型窒化物半導体コンタクト層６を１５０ｎｍの厚さに成
長させたウエハを形成する。

【００３１】次に、装置からウエハを取り出し、ｐ型窒
化物半導体コンタクト層６の表面上にｐ型電極９１とし
てＰｄを３０ｎｍの厚さに、そしてその上にｐ型台座電
極９としてＮｉを１００μｍの厚さに形成する。

【００３２】次に、導電性基板１を研削、研磨を用い
て、残り厚さが１０μｍになるように加工する。

【００３３】次に、フォト工程により導電性基板１をフ
ッ酸系エッチング液にて不要な部分を除去し、円形状に
加工する。このときこの円形状の直径を１２０μｍに形
成する。ここでこの直径はＡｕワイヤ１０をパッド電極
７に接合する場合の接合径と同じにした。また、このと
きこの円形状以外の領域では窒化物半導体バッファ層２
が露出している。

【００３４】次に、ドライエッチング法、ここではＲＩ
Ｅ法を用いて窒化物半導体バッファ層２を塩素系ガスを
用いてエッチングし、ｎ型窒化物半導体層３を露出させ
る。この加工により、直径１２０μｍの円形状の導電性
基板１と窒化物半導体バッファ層２からなるｎ型台座電
極７７が前記ｎ型窒化物半導体層３上に形成される。こ
こで、ｎ型台座電極７７はｎ型窒化物半導体層３の発光
表面のほぼ中心に形成される。

【００３５】次に、ｎ型台座電極７７上にＡｕを用いて
ｎ型パッド電極７を０．５μｍの厚さに形成する。

【００３６】次に、ｎ型パッド電極７表面またはｎ型台
座電極７７表面またはｎ型窒化物半導体層３表面に透光
性電極８として透明導電膜ＩＴＯ（ＳｎドープＩｎ
₂Ｏ₃）を２００ｎｍの厚さに形成する。

【００３７】次に、上述の加工を終了したウエハを３５
０μｍ角の四角形のチップとし、このチップのｐ型台座
電極９側をリードフレームのカップ部に乗せた後、ｎ型
パッド電極７にＡｕワイヤ１０を接合する。

【００３８】こうして形成された実施例２における窒化
物半導体発光素子は、ｎ型パッド電極７表面またはｎ型
台座電極７７表面またはｎ型窒化物半導体層３表面に透
光性電極８として透明導電膜ＩＴＯを形成しているた
め、実施例１における窒化物半導体発光素子よりも、電
流を窒化物半導体発光素子に均一に注入でき、均一な発
光が確認できた。ここで、透光性電極８としては、Ｓｂ
（アンチモン）またはＦ（フッ素）をドープしたＳｎＯ
₂（酸化スズ）、Ａｌ（アルミニウム）またはＧａ（ガ
リウム）をドープしたＺｎＯ（酸化亜鉛）等も使用され
得る。また本実施例の場合は、基板１には非導電性の基
板も使用され得る。

【００３９】（実施例３）図３は本発明の実施例３によ
って作製された窒化物半導体発光素子の模式的な上面図
である。また、図４において、本実施例における窒化物
半導体発光素子上部の模式的な断面図を示す。図３およ
び図４に示された実施例３による窒化物半導体発光素子
構造３０００は、Ｓｉからなる導電性基板１およびＡｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる窒化物半導体バッファ層２により
構成されるｎ型台座電極７７、ｎ型パッド電極７、Ａｕ
ワイヤ１０、ｎ型窒化物半導体層３、発光層４、ｐ型窒
化物半導体層５、ｐ型窒化物半導体コンタクト層６、透
光性電極８、ｐ型電極９１およびｐ型台座電極９を含ん
でいる。

【００４０】図３および図４に示された窒化物半導体発
光素子を作製する場合、まず、ＭＯＣＶＤ装置内に導電
性基板１をセットし、導電性基板１上に窒化物半導体バ
ッファ層２を１００ｎｍの厚さに成長させ、順次ｎ型窒
化物半導体層３を４００ｎｍの厚さに、発光層４を４０
ｎｍの厚さに、ｐ型窒化物半導体層５を１５ｎｍの厚さ
に、ｐ型窒化物半導体コンタクト層６を１５０ｎｍの厚
さに成長させたウエハを形成する。

【００４１】装置からウエハを取り出し、ｐ型窒化物半
導体コンタクト層６表面上にｐ型電極９１としてＰｄを
３０ｎｍの厚さに形成し、その上にｐ型台座電極９とし
てＮｉを８０μｍの厚さに形成する。

【００４２】次に、導電性基板１を研削、研磨を用い
て、残り厚さが５μｍになるように加工する。

【００４３】次に、フォト工程により導電性基板１を全
面にわたりフッ酸系エッチング液にて不要な部分を除去
し、円形状に加工する。このとき円形状ｎ型台座電極７
７以外は窒化物半導体バッファ層２表面が露出してい
る。

【００４４】次に、ドライエッチング法、ここではＲＩ
Ｅ法を用いて窒化物半導体バッファ層２を塩素系ガスを
用いてストライプ状に加工する。このとき、ｎ型窒化物
半導体層３が露出し、線幅１５μｍのストライプ状の窒
化物半導体バッファ層２が前記ｎ型窒化物半導体層３上
に形成され得る。

【００４５】次に、ｎ型台座電極７７上にＡｕを用いて
ｎ型パッド電極７を１μｍの厚さに形成する。

【００４６】次に、窒化物半導体バッファ層２またはｎ
型窒化物半導体バッファ層３を覆うように透光性電極８
として透明導電膜ＩＴＯを２５０ｎｍの厚さに形成す
る。

【００４７】次に、上述の加工を終了したウエハを５０
０μｍ角の四角形のチップとし、このチップのｐ型台座
電極９側をリードフレームのカップ部に乗せた後、ｎ型
パッド電極７にＡｕワイヤ１０を接合する。

【００４８】こうして形成された実施例３における窒化
物半導体発光素子は、発光素子層にクラックの入りやす
い方向にストライプ状の窒化物半導体バッファ層２が形
成されている。したがって、窒化物半導体バッファ層２
が非導電性である場合には、ストライプ状の窒化物半導
体バッファ層２の下部に発生したクラックには電流が流
れないため、窒化物半導体発光素子の短絡防止となるこ
とから、実施例１における窒化物半導体発光素子より
も、窒化物半導体発光素子電流をに均一に注入でき、均
一な発光が確認できた。

【００４９】ここで、透光性電極８としては、Ｓｂまた
はＦをドープしたＳｎＯ₂、ＡｌまたはＧａをドープし
たＺｎＯ等も使用され得る。

【００５０】また、本実施例においては、ストライプ状
の窒化物半導体バッファ層２をクラックが発生しやすい
方向だけでなく、いずれの方向にも設置し得る。また、
ストライプの幅、本数、形状も上記実施例には限られな
い。

【００５１】

【発明の効果】本発明においては、ワイヤ接合用等のパ
ッド電極層の下に台座電極を設置することにより、パッ
ド電極を形成する際またはワイヤを接合する際等の発光
素子に発生する応力を緩衝することにより、発光素子に
おけるクラックの発生を防止し得る。ひいては発光素子
の短絡防止となり、信頼性の優れた発光素子が得られ
る。さらに、本発明では、台座電極が発光素子を成長さ
せる基板になり得ることから、金属、絶縁体膜等で蒸着
して電極を形成する必要がなくなり、製造工程の省略
化、発光素子の生産性の向上、コストパフォーマンスに
優れた発光素子の生産を図ることができ得る。さらに本
発明において、台座電極に非導電性の窒化物半導体バッ
ファ層を含んでおり、発光素子の発光面とシリコン層の
間にこの窒化物半導体バッファ層が設置された場合に
は、このバッファ層が電流阻止層として機能するためバ
ッファ層下部の発光層での発光がなく、バッファ層上部
に設置されたパッド電極によって光が遮断されることが
ないことから、発光素子の外部発光効率が向上し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１によって作製された窒化物
半導体発光素子の模式的な断面図である。

【図２】 本発明の実施例２によって作製された窒化物
半導体発光素子の模式的な断面図である。

【図３】 本発明の実施例３によって作製された窒化物
半導体発光素子の模式的な上面図である。

【図４】 本発明の実施例３によって作製された窒化物
半導体発光素子上部の模式的な断面図である。

【図５】 特開平１１−１７７１４２号公報に開示され
たＧａＮ系の半導体素子の概略構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 導電性基板、２ 窒化物半導体バッファ層、２１
窒化物半導体導電性バッファ層、３ ｎ型窒化物半導体
層、４ 発光層、５ ｐ型窒化物半導体層、６ｐ型窒化
物半導体コンタクト層、７ ｎ型パッド電極、７７ ｎ
型台座電極、８ 透光性電極、９ ｐ型台座電極、９１
ｐ型電極、１０ Ａｕワイヤ、１００ 上部クラッド
層、２００ 発光層、３００ 下部クラッド層、４００
バッファ層、５００ Ｓｉ基板、６００ ｐ型パッド
電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 大覚 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 4M104 AA04 BB07 BB36 CC01 FF02 FF13 GG04 5F041 AA03 AA21 CA05 CA34 CA35 CA37 CA65 CA74 CA82 CA92 CA93 CA98 DA07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発光層を含む複数の窒化物半導体層から
   成る窒化物半導体積層構造体と、前記積層構造体上に窒
   化物半導体層とシリコン層を含む台座電極とを含み、前
   記台座電極上に形成されたパッド電極をさらに含むこと
   を特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記台座電極に含まれるシリコン層は、
   前記積層構造体を成長させる基板として利用されたもの
   であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体
   発光素子。
3. 【請求項３】 前記台座電極に含まれる窒化物半導体層
   は、前記積層構造体を成長させる際のバッファ層として
   利用されたものであることを特徴とする請求項１に記載
   の窒化物半導体発光素子。
4. 【請求項４】 前記台座電極がともに導電性であるシリ
   コン層と窒化物半導体層とを含んでいることを特徴とす
   る請求項１から３のいずれかの項に記載の窒化物半導体
   発光素子。
5. 【請求項５】 前記台座電極が導電性であるシリコン層
   と非導電性である窒化物半導体層とを含み、前記台座電
   極表面または前記パッド電極表面または前記積層構造体
   の発光面に透明導電膜を含んでいることを特徴とする請
   求項１から４のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光
   素子。
6. 【請求項６】 前記台座電極に含まれる非導電性である
   窒化物半導体層が電流阻止層として機能することを特徴
   とする請求項１、２、３または５のいずれかの項に記載
   の窒化物半導体発光素子。