JP2006108161A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高光度の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 フリップチップ型の III族窒化物系化合物半導体発光素子において、ｐ型コンタクト層上にＩＴＯから成る透明導電膜１０を形成し、その上に絶縁性保護膜２０を形成し、その上に、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）から成る、光をサファイア基板側へ反射する反射膜３０を形成し、その上に、金（Ａｕ）から成る金属層４０を形成する。透明導電膜１０と反射膜３０との間には、絶縁性保護膜２０が介在しているので、反射膜３０の構成する金属原子が透明導電膜１０に拡散することが防止される。この結果、透明導電膜１０は高透過率を維持する。この結果、外部量子効率の高い発光素子を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。特に、透光性基板側から光を放射するフリップチップ型の発光素子において、外部量子効率を向上させたもの、及びその経年劣化を防止したものに関する。

従来、下記特許文献１に示すように、III 族窒化物半導体のダブルヘテロ接合構造を用いたフリップチップ型の半導体発光素子が知られている。その発光素子では、透光性基板としてサファイア基板を用いており、最上層のｐ型コンタクト層の上に反射層及び電流供給電極として機能するロジウム（Ｒｈ）から成る電極層を有している。そして、この電極層で発光層で発光した光のうち基板と反対側に向かう光を基板側に反射して、外部に光を有効に出力するようにしている。ロジウムは、青色の光に対して反射率６０％と比較的高い値を示している。一方、銀、アルミニウム、又は銀合金は、反射率が６０％以上であり反射層として用いるには有益である。しかしながら、銀やアルミニウムはｐ型コンタクト層に対してアロイなどの熱処理をした場合に、変色、変質して反射率が低下してしまう。また、特に、銀を用いて場合には、ｐ型コンタクト層から容易に剥離されてしまうという問題があり、また、イオンマイグレーションやエレクトロマイグレーションが顕著であるため、電気的にも信頼性にも課題がある。

これらのことは、下記特許文献２に示されているように、ＧａＡｓ半導体に於いても見られ、これを解決するために、コンタクト層上に透明のインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を形成して、その上に、Ａｕ又はＡｕ／Ｃｕから成る反射層を形成して、金属が直接、半導体層と反応しないようにしている。

また、下記特許文献３には、フリップチップ型の発光素子の外部量子効率を向上させるために、ＩＴＯ膜をＧａＮベースの半導体層の上に形成し、その上に、銀、アルミニウムなどの反射層を形成することが開示されている。
特開２０００−３６６１９ 特開１０−４２０８ 実登３０６８９１４

しかしながら、ＩＴＯ膜の上に、銀やアルミニウムから成る反射層を形成した場合には、その界面反応によって、ＩＴＯ、銀、アルミニウムのいずれもが変質、変色してしまい、金属反射層へ入射する光量が低下し、基板側へ反射して外部へ取り出される光が減少することを本発明者らは発見した。

本発明は、これらの新たに発見された課題を解決するために成されたものであり、その目的は、金属反射層と透明導電膜との間に絶縁性保護膜を形成することで、金属反射膜と透明導電膜の界面反応を抑制し、金属反射層による反射率を向上させ、半導体発光素子の外部量子効率を向上させることである。

上記課題を解決するための発明の構成は以下の通りである。
請求項１の発明は、透光性基板と、この透光性基板の上に積層された半導体層とを有し、ｎ電極とｐ電極とが前記透光性基板に対して前記半導体層側に形成され、発光した光を前記透光性基板側から放射するフリップチップ型の半導体発光素子において、半導体層の最上層であるコンタクト層と、コンタクト層上に形成された光に対して透明な透明導電膜と、透明導電膜上に形成された絶縁性保護薄膜と、絶縁性保護膜上に形成された金属から成る発光した光に対して高反射率を有する反射膜と、この反射膜上に形成されると共に透明導電膜の一部と接合するように形成された電極層とを有することを特徴とする半導体発光素子である。

ここで、発光素子は、基板を上にして半導体層側をリードフレームに接合するいわゆるフェースダウンで用いるフリップチップ型の半導体発光素子である。半導体の材料としては任意であるが、本発明は、特に、III 族窒化物半導体発光素子に用いる場合に有効である。透明導電膜が形成されるコンタクト層としては、ｐ型半導体でもｎ型半導体でもいずれでも良い。透光性基板から最も離れた最上層は、III 族窒化物半導体の場合には、ｐ型化処理の関係で、通常、ｐ型半導体となるが、製造技術の進化により最上層がｎ型半導体になる場合もあるので、透明導電膜が形成されるコンタクト層は、いずれの伝導型であっても本発明は適用可能である。

透光性基板としては、発光層で発光した光に対して透過率が高いものであれば、何でもも良い。たとえば、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭化硅素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化ガリムウ（ＧａＰ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎで表される４元、３元、２元の半導体を用いることができる。要は、発光した光に対して透過率が高いものであれば良い。

透明導電膜としては、金属酸化物が挙げられるが、代表的には、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いるのが良い。
絶縁性保護膜は、金属酸化物や金属窒化物やガラスが挙げられるが、代表的には、酸化硅素（ＳｉＯ、ＳｉＯ₂ 、Ｓｉ_x Ｏ_y など）、窒化硅素（ＳｉＮ、Ｓｉ₂ Ｎ₃ 、Ｓｉ_x Ｎ_y など）、酸化チタン（ＴｉＯ、ＴｉＯ₂ 、Ｔｉ_x Ｏ_y など）、窒化チタン（ＴｉＮ、ＴｉＮ₂ 、Ｔｉ_x Ｎ_y など）、または、これらを複合させた組成物又はこれらの積層膜などである。
反射膜は、発光した光に対する反射率が高い金属であれば任意である。望ましくは、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀合金、アルミニウム合金、銀とアルミニウムを主成分に含む合金などである。
電極層の材料は任意ではあるが、金、金とチタンの多層膜、又は、金とチタンの合金も用いることができる。

請求項２の発明は、透明導電膜は、その周辺部の少なくとも一部に、絶縁性保護膜が形成されていない露出部を有し、その露出部上に電極層の一部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子である。

露出部は、透明導電膜とその上に形成される絶縁性保護膜との関係で形成されるものである。透明導電膜の周縁部の全周に渡って露出部が設けられていても、周囲の一部や、周囲の複数の領域に露出部が形成されていても良い。そして、この露出部に電極層が接合することになるので、電極層は透明導電膜とこの露出部で電気的に接触することになり、この部分から電流が供給される。

請求項３に記載の発明は、反射膜の周囲は絶縁性保護膜に覆われていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子である。すなわち、反射膜を絶縁性保護膜の中に形成することで、反射膜と透明導電膜との界面、反射膜と電極層との界面での反応を完全に抑制することができる。また、反射膜を銀で構成した場合のように、エレクトロマイグレーションが顕著な場合に、これを完全に抑制し、反射率の低下を防止することができる。

請求項４〜７の発明については、請求項１の発明に関して、望ましい例として説明した。

絶縁性保護膜により反射膜と透明導電膜との界面反応が抑制される。このため、透明導電膜の透過率および反射膜の反射率の低下を防止することができる。したがって、透光性基板を通して外部に出力される光の取出し効率が向上する。

通電する場合に、絶縁性保護膜の存在により、電極層と透明導電膜との接触部からのみ電流が透明導電膜に流れ込む。このため、反射膜のエレクトロマイグレーション発生の可能性を大幅に低減することができる。反射膜の全体を絶縁性保護膜で覆った場合には、反射膜のエレクトロマイグレーション発生をより防止することができる。

本発明を実施するための最良の形態について説明する。
半導体発光素子の具体的な層構成については後の実施例で詳しく説明するが、本発明は図１に示すような、フリップチップ型の半導体発光素子１である。透光性基板１０１の側から光が外部に出力される。透光性基板１０１の上には、III 族窒化物半導体から成る半導体層が積層されており、最上層がコンタクト層１０８である。このコンタクト層１０８の上に、順次、透明導電膜１０、絶縁性保護膜２０、反射膜３０、電極層４０が形成されている。

コンタクト層１０８は、周辺部において、その上に、透明導電膜１０が形成されていない環状の第１露出部５を有している。また、透明導電膜１０は、周辺部において、その上面に絶縁性保護膜２０が形成されていない環状の第２露出部１１を有している。さらに、絶縁性保護膜２０は、周辺部において、その上に、反射膜３０が形成されていない環状の第３露出部２１を有している。電極層４０は、反射膜３０の上面、絶縁性保護膜２０の第３露出部２１、透明導電膜１０の第２露出部１１、コンタク層１０８の第１露出部５と接合するように、連続して形成されている。図２の平面図に示すように、発光面に垂直な方向から見れば、第１露出部５、第２露出部１１、第３露出部２１は、コンタクト層１０８の周辺部において、環状で階段状に形成されている。電極層４０は、図２において、ハッチングで示された領域に形成されている。

このように、反射膜３０と透明導電膜１０との間には、絶縁性保護膜２０が介在しているので、反射膜３０と透明導電膜１０の界面反応が防止される。したがって、透明導電膜１０は透明度が低下することがなく、反射膜３０の反射率が低下することがない。よって、反射膜３０に入射する光量も低下することはなく、反射膜３０の反射率も低下しないので、透光性基板１０１側に反射される光を増大させることができる。

さらに、電極層４０が、他の電極１４０に対して正電位となるように、電極層４０に電圧を印加する場合を例にとると、電流が反射層３０から基板１０１に垂直な方向に流れることが、絶縁性保護膜２０によって阻止される。すなわち、電流は、大部分が、電極層４０の周辺部から環状の第２露出部１１を介して透明導電膜１０に供給される。また、電流の一部は、電極層４０の周辺部から、透明導電膜１０の側壁を介して透明導電膜１０に流れ、環状の第１露出部５を介してコンタク層１０８に供給される。この結果、反射膜３０の面に垂直な方向に、反射膜３０に流れる電流は存在しないので、反射膜３０の金属原子のエレクトロマイグレーションが発生することはない。

コンタクト層１０８に、同量の電流が供給されるのであれば、外部量子効率を向上させるためには、透明導電膜１０と反射膜３０の面積は成るべく広い方が良い。また、他の電極１４０に近い側で発光が強くなる関係上、この部分には、第１露出部５や第２露出部１１を形成しない方が良い。このことを考慮すると、図３のように構成することも望ましい。すなわち、透明導電膜１０はコンタクト層１０８と同一形状に形成し、第１露出部５を設けない。そして、絶縁性保護膜２０を、透明導電膜１０に対して、図３の図面上において、右辺Ａと下辺Ｂにおいてのみ、内側に形成して、第２露出部１１をＬ字形状に形成する。そして、絶縁性保護膜２０と反射膜３０とは同一形状に形成し、第３露出部２１は設けない。そして、電極層４０をコンタクト層１０８と同一平面形状に形成する。この時、電極層４０は透明導電膜１０と図３の右端Ａ及び下端Ｂに位置するＬ字形状の第２露出部１１で面接触することになり、電流はこの第２露出部１１から透明導電膜１０に供給され、透明導電膜１０において横方向に広がりながら下方のコンタクト層１０８に垂直方向に向に流れる。このように透明導電膜１０を広くすることで、発光部を広くすることができ、反射膜３０を広くすることで、基板１０１へ向けての反射面積を広くとることができる。

さらに、図４に示すように、第２露出部１１を図３の右辺Ａ及び下辺Ｂの全長に渡って形成するのではなく、頂点から各辺の１／２〜１／３の長さだけに止めるようにしても良い。この場合に、第２露出部１１を形成しない領域には、透明導電膜１０、絶縁性保護膜２０、反射膜３０が形成されることになる。このように構成しても、電流は電極層４０からＬ字形状の第２露出部１１を介して、透明導電膜１０に十分に供給されることになり、他の部分を発光領域及び反射領域として使用することができるので、外部量子効率を向上させることができる。

その他、第１露出部５、第２露出部１１は、環状に形成しない場合には、それらの形成位置を同一にしても、同一にしなくとも良い。第２露出部１１を全く形成しないとすれば、透明導電膜１０には、その側面から電流が供給されることになる。このようにしても発光は可能であるが、第２露出部１１を設けると、電極層４０と透明導電膜１０との接触面積を大きくできるので、第２露出部１１は設けることが望ましい。第１露出部５を設けると、透明導電膜１０の側壁から電流を供給することが可能となるため、第１露出部５は、第２露出部１１を設けた上で同一位置に設けることが望ましいと言える。

さらに、図５に示すように、反射膜３０をその上下から絶縁性保護膜２０で完全に覆うように、すなわち、絶縁性保護膜２０の中に形成するようにしても良い。このようにすれば、電流による反射膜３０の金属原子のエレクトロマイグレーションを完全に防止することができる。よって、素子の信頼性を向上させることができる。

透明導電膜１０の形成方法は、スパッタ、真空蒸着などを用いることができ、特に限定されないが、電子線による真空蒸着で形成するのが望ましい。絶縁性保護膜２０の形成方法は、スパッタ、真空蒸着などを用いることができ、特に限定されないが、プラズマＣＶＤ法で形成するのが望ましい。反射膜３０と電極層４０の形成方法は、スパッタ、真空蒸着を用いることが望ましい。

なお、発光層を構成する単一量子井戸構造や多重量子井戸構造は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体Ａｌ_y Ｇａ_1-y-z Ｉｎ_z Ｎ（０≦ｙ＜１，０＜ｚ≦１）から成る井戸層を含むものが望ましい。発光層の構成は、例えばドープされた、又はアンドープのＧａ_1-zＩｎ_zＮ（０＜ｚ≦１）から成る井戸層と、当該井戸層よりもバンドギャップが大きい任意の組成のIII族窒化物系化合物半導体ＡｌＧａＩｎＮから成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのＧａ_1-zＩｎ_zＮ（０＜ｚ≦１）の井戸層とアンドープのＧａＮから成る障壁層である。ここでドープは、ドーパントを意図的に原料ガスに含ませて目的とする層に添加していることを意味し、アンドープは、原料ガスにドーパントを含ませないで、意図的にドーパントを添加しないものを意味する。したがって、アンドープは、近接の層から拡散して自然にドーピングされている場合をも含む。

III−Ｖ族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。

半導体素子を構成する各層のIII−Ｖ族窒化物半導体は、少なくともＡｌ_xＧａ_yＩｎＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）で置き換えても良く、また、窒素（Ｎ）の一部をリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型の層を形成する場合には、ｎ型不純物として、ＳｉＧｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を添加し、ｐ型の層を形成する場合には、ｐ型不純物としては、、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を添加することができる。

図１は、本実施例１の半導体発光素子１を示す断面図であり、図２はその平面図である。厚さ１００μｍの透光性基板としてのサファイヤ基板１０１の上には窒化アルミム（ＡｌＮ）から成る膜厚約２０ｎｍのバッファ層１０２が設けられ、その上にシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮから成る膜厚約８．０μｍの高キャリア濃度ｎ⁺層であるｎ型コンタクト層１０４が形成されている。このｎ型コンタクト層１０４の電子濃度は５×１０¹⁸／ｃｍ³である。この層の電子濃度は、高い程、望ましいが、２×１０¹⁹／ｃｍ³まで、増加可能である。そして、層１０４の上にＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎからなる歪み緩和層１０５が２００ｎｍの厚さに形成されている。そして、その歪み緩和層１０５の上に、膜厚２０ｎｍのノンドープのＧａＮと膜厚３ｎｍのノンドープのＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎからなる３周期分積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１０６が形成されている。発光層１０６の上にはマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎから成る膜厚約６０ｎｍのクラッド層に相当するｐ型層１０７が形成されている。さらに、ｐ型層１０７の上にはマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮから成る膜厚約１３０ｎｍのｐ型コンタクト層１０８が形成されている。

また、ｐ型コンタクト層１０８の上にはＭＯＣＶＤ法により形成されたＩＴＯから成る透明導電膜１０が形成されている。ｐ型コンタクト層１０８の平面上周辺部には、環状に第１露出部５が形成されている。その透明導電膜１０の上には、その周辺部に第２露出部１１が形成されるように、ＳｉＯ₂ から成る絶縁性保護膜２０が形成されている。第２露出部１１が請求項１の露出部に該当する。また、絶縁性保護膜２０の上には、周辺部において、環状の第３露出部２１が形成されるように、銀（Ａｇ）から成る反射膜３０が形成されている。さらに、第１露出部５、第２露出部１１、第３露出部２１、反射膜３０を完全に覆うように金（Ａｕ）から成る電極層４０が形成されている。透明導電膜１０の厚さは、０．５μｍ、絶縁性保護膜２０は、厚さ、２００ｎｍ、反射膜３０は厚さ、０．５ μｍ、電極層４０は厚さ、１．２μｍである。
反射膜３０の厚さは、光の反射の観点から０．０１〜５μｍの範囲が望ましく、さらに、望ましくは０．０２〜２μｍであり、最も望ましくは、０．０５〜１μｍである。透明導電膜１０の厚さは、ｐ型コンタクト層１０８との電気的接触の関係から０．０５〜１μｍが望ましく、さらに望ましくは、０．２〜０．５μｍである。
なお、電極層４０は、厚さ０．０１μｍのチタン（Ｔｉ）と、厚さ０．５μｍの金（Ａｕ）との２重構造か、それらの合金であっても良い。または、金、チタンの順に形成して、その上を、パンプの形成部を除いて酸化珪素などの保護膜で覆っても良い。

一方、ｐ型コンタクト層１０８からエッチングして、露出したｎ型コンタク層１０４上には、ｎ電極１４０が形成されている。ｎ電極１４０は２重構造をしており、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ）層１４１と、膜厚約１．８μｍのアルミニウム（Ａｌ）層１４２とをｎ型コンタクト層１０４の一部露出された部分に、順次積層させることにより構成されている。

このように形成された電極層４０は、図２に示すように、ｐ型コンタクト層１０８の上面の略３／４の領域に一様に形成されている。電極層４０の露出部と、ｎ電極１４０の露出部がバンプと接続される。

このように製造した発光素子１は、絶縁性保護膜を用いずに、透明導電膜の上に銀から成る反射膜を形成し、その上に金から成る電極層を形成した発光素子に比べて、外部量子効率は、約２０％向上した。また、１０００時間のエージングの後においても、外部量子効率の低下は見られなかった。

望ましい実施の形態で説明した図３、図４、図５に示す構造の半導体発光素子を製造したが、実施例１と同様な効果が得られた。図３、図４、図５において、図１、図２と同一符号で示された部材は、実施例１及び望ましい実施の形態で説明した構成要素と同一である。

すなわち、図３は、第１露出部と第３露出部を形成しないで、第２露出部１１のみを右辺Ａ、下辺ＢにＬ字形状に形成した素子である。そして、ＩＴＯから成る透明導電膜１０はｐ型コンタクト層１０８と同一平面形状に形成し、ＳｉＯ₂ から成る絶縁性保護膜２０とＡｇから成る反射膜３０とを、同一平面形状に形成した。また、反射膜３０の全上面と第２露出部１１に接合するようにＡｕから成る電極層４０を構成した。電流は電極層４０から第２露出部１１を介して、透明導電膜１０の上面から透明導電膜１０に供給される。第２露出部１１が請求項１の露出部に該当する。また、図４の例は、第２露出部１１を右辺Ａ、下辺Ｂの１／３〜１／２程度の範囲のＬ字状に形成し、その他の構成を図３の例と同一に構成した例である。また、図５の例は、各膜の平面形状を図１、図２に示す第１実施例の構成と同一として、Ａｇから成る反射膜３０がＳｉＯ₂ から成る絶縁性保護膜２０により完全に覆われた構成とした例である。

上記の第１実施例、第２実施例の構成の発光素子において、発明の実施の形態で説明した各膜、各層の材料は、任意に組み合わせて選択できることは当然である。

本発明は、発光素子、発光素子チップ、ＬＥＤランプ、ディスプレイなどの発光装置に用いることができる。発光装置の外部量子効率の向上に極めて有効であり、同一入力電力で比較すれば、発光出力を大きくすることができる。

本発明の具体的な実施例にかかる発光素子の断面図。 同実施例の発光素子の平面図。 本発明の他の具体的な実施例にかかる発光素子の平面図。 本発明の他の具体的な実施例にかかる発光素子の平面図。 本発明の他の具体的な実施例にかかる発光素子の平面図。

符号の説明

１…発光素子
５…第１露出部
１０…透明導電膜
１１…第２露出部
２０…絶縁性保護膜
２１…第３露出部
３０…反射膜
４０…電極層
１０１…サファイア基板
１０２…バッファ層
１０４…ｎ型コンタクト層
１０５…歪み緩和層
１０６…発光層
１０７…ｐ型クラッド層
１０８…ｐ型コンタクト層
１４０…ｎ電極
１５０…ｐ電極

Claims (7)

1. 透光性基板と、この透光性基板の上に積層された半導体層とを有し、ｎ電極とｐ電極とが前記透光性基板に対して前記半導体層側に形成され、発光した光を前記透光性基板側から放射するフリップチップ型の半導体発光素子において、
   前記半導体層の最上層であるコンタクト層と、
   該コンタクト層上に形成された前記光に対して透明な透明導電膜と、
   該透明導電膜上に形成された絶縁性保護薄膜と、
   該絶縁性保護膜上に形成された金属から成る前記光に対して高反射率を有する反射膜と、
   該反射膜上に形成されると共に前記透明導電膜の一部と接合するように形成された電極層と
   を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記透明導電膜は、その周辺部の少なくとも一部に、前記絶縁性保護膜が形成されていない露出部を有し、その露出部上に前記電極層の一部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記反射膜の周囲は前記絶縁性保護膜に覆われていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記透明導電膜はインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記絶縁性保護膜は酸化硅素又は窒化硅素のうち少なくとも１つから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記反射膜はアルミニウム、銀、アルミニウ合金、又は銀合金のうち少なくとも１つから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体発光素子。
7. 前記電極層は、金、金とチタンの多層膜、又は、金とチタンの合金から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の半導体発光素子。