JP2010232620A

JP2010232620A - 発光装置

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Publication number: JP2010232620A
Application number: JP2009081647A
Authority: JP
Inventors: Ryuji Yoneda; 竜司米田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP5334642B2

Abstract

【課題】Ｇａを少なくとも含む窒化物半導体を用いた発光装置において、ｐ型コンタクト層とアノード電極との接触抵抗を低減させつつ、電極パッドの剥離を抑制する。
【解決手段】発光装置１は、ｎ型半導体領域２５ｎ上の第１領域Ｓ１に形成されたｐ型半導体領域２５ｐを有する半導体積層部１３と、ｐ型半導体領域２５ｐに接続されるアノード電極７と、少なくともｎ型半導体領域２５ｎを被覆する絶縁膜２９と、ｎ型半導体領域２５ｎ上の第２領域Ｓ２に絶縁膜２９を介して形成され、アノード電極７に接続された電極パッド９と、電極パッド９と絶縁膜２９とを接合する接合層２７と、を備え、ｎ型半導体領域２５ｎ及びｐ型半導体領域２５ｐは、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成され、アノード電極７は、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＡｕのうちの少なくとも１つを主成分として形成され、接合層２７は、絶縁膜２９との密着性がアノード電極７より高くなる材料で形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、発光装置に関する。

従来、ガリウム（Ｇａ）を少なくとも含む窒化物半導体を用いた発光装置が種々提案されている。このような発光装置は、ｐ型の窒化物半導体層とこれに接続されるアノード電極との間の接触抵抗が非常に高くなる傾向があり、これを抑制するため、一般的にそのアノード電極に使用される材料が限定されている。例えば、特許文献１に記載された発光装置では、ＧａＮ等の窒化物半導体からなるｐ型コンタクト層上に形成されるアノード電極の材料として、パラジウム、ニッケル、金が使用されている。これらの材料を用いることにより、ｐ型コンタクト層とアノード電極との間の接触抵抗が低減される。

特開２００７−３３５８５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発光装置のように、ＧａＮ等からなるｐ型コンタクト層上に、パラジウム等からなるアノード電極を形成した場合、ｐ型コンタクト層とアノード電極との密着性が低い。そのため、例えば、このアノード電極上に電極パッドを設け、この電極パッド上にワイヤボンディングを行うと、電極パッドとともにアノード電極が引っ張られ、アノード電極が剥離し易い。これにより、当然ながらアノード電極上の電極パッドもｐ型コンタクト層上から剥離し易いという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、Ｇａを少なくとも含む窒化物半導体を用いた発光装置において、ｐ型コンタクト層とアノード電極との接触抵抗を低減させつつ、電極パッドの剥離を抑制することを目的とする。

本発明に係る発光装置は、少なくとも一層のｎ型半導体層からなるｎ型半導体領域と、該ｎ型半導体領域上の第１領域に形成され、少なくとも一層のｐ型半導体層からなるｐ型半導体領域とを有する半導体積層部と、前記ｐ型半導体領域に接続されるアノード電極と、前記ｎ型半導体領域に接続されるカソード電極と、少なくとも前記ｎ型半導体領域を被覆する絶縁膜と、前記ｎ型半導体領域上の前記第１領域とは異なる第２領域に前記絶縁膜を介して形成され、前記アノード電極に接続された電極パッドと、前記電極パッドと前記絶縁膜との間に介在し、該電極パッドと該絶縁膜とを接合する接合層と、を備えている。そして、前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層は、ガリウムを少なくとも含む窒化物半導体で形成されている。前記アノード電極は、銀、ニッケル、パラジウム、ロジウム及び金のうちの少なくとも１つを主成分として形成されている。前記接合層は、前記絶縁膜との密着性が前記アノード電極より高くなる材料で形成されている。

本発明によれば、Ｇａを少なくとも含む窒化物半導体を用いた発光装置において、ｐ型コンタクト層とアノード電極との接触抵抗を低減させつつ、電極パッドの剥離を抑制することができる。

本発明に係る発光装置の一実施形態を示す平面図である。図１の発光装置のII−II線断面図である。図２の断面図の要部拡大図である。図２に示す発光装置との比較例を示す断面図である。図２に示す発光装置の変形例を示す断面図である。本発明に係る発光装置の他の実施形態を示す平面図である。

以下、本発明に係る発光装置の一実施形態としてＬＥＤアレイを例示し、図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るＬＥＤアレイ１は、基板３と、基板３上に列をなして設けられた複数の発光部５と、各発光部５に接続されたアノード電極７と、複数の発光部５の配列方向に沿って千鳥状に並べて配置された電極パッド９と、複数の発光部５の配列方向に沿って帯状に延びるカソード電極１１とを備えている。

基板３は、後述する半導体積層部１３を形成する各半導体層の結晶成長が可能である単結晶材料からなり、本実施形態ではサファイアで形成されている。

図２に示すように、基板３上には、複数の半導体層を積層して形成された半導体積層部１３が設けられている。本実施形態では、半導体積層部１３は、基板３側から順次積層されたｎ型コンタクト層１５、ｎ型クラッド層１７、活性層１９、ｐ型クラッド層２１及びｐ型コンタクト層２３によって構成されている。より詳細には、基板３上に形成されたｎ型コンタクト層１５上の一部分である第１領域Ｓ１に、ｎ型クラッド層１７、活性層１９、ｐ型クラッド層２１及びｐ型コンタクト層２３からなる積層体が形成されており、この積層体が発光部５を構成している。

なお、ｎ型コンタクト層１５及びｎ型クラッド層１７が本発明におけるｎ型半導体領域２５ｎを構成し、ｐ型クラッド層２１及びｐ型コンタクト層２３が本発明におけるｐ型半導体領域２５ｐを構成している。

ｎ型コンタクト層１５は、ｎ型の不純物がドーピングされた窒化ガリウム（ＧａＮ）からなり、１０〜１０００ｎｍの厚さを有している。ｎ型の不純物としては、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられ、ｎ型コンタクト層１５のドーピング濃度を１×１０^１７〜５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３としている。

ｎ型クラッド層１７は、ｎ型の不純物がドーピングされた窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなり、１０〜１０００ｎｍの厚さを有している。ｎ型の不純物としては、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられ、ｎ型クラッド層１７のドーピング濃度を１×１０^１７〜５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３としている。

活性層１９は、ノンドープの窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなり、１０〜１００ｎｍの厚さを有している。

ｐ型クラッド層２１は、ｐ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＮからなり、１０〜１００ｎｍの厚さを有している。ｐ型の不純物としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が挙げられ、ｐ型クラッド層２１のドーピング濃度を１×１０^１７〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３としている。

ｐ型コンタクト層２３は、ｐ型の不純物がドーピングされたＧａＮからなり、１０〜１００ｎｍの厚さを有している。ｐ型の不純物としては、例えばＭｇが挙げられ、ｐ型コンタクト層２３のドーピング濃度を１×１０^１７〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３としている。

上記の半導体積層部１３を構成する各半導体層は、例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-organic Chemical Vapor Deposition）法、またはＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長：Molecular Beam Epitaxy）法を用い、基板３上にエピタキシャル成長させることによって形成される。また、半導体積層部１３の発光部５は、例えば、基板３上に積層した半導体層をエッチングによりパターニングすることで形成することができる。

図１及び図２に示すように、アノード電極７は、各発光部５のｐ型コンタクト層２３に接続されており、ｐ型コンタクト層２３上に接合されるコンタクト部７ａと、複数の発光部５の配列方向と直交する方向にコンタクト部７ａから延びるリード部７ｂとを備えている。本実施形態では、アノード電極７は、銀（Ａｇ）を主成分とする材料で形成されている。なお、図２に示すように、リード部７ｂと発光部５及びｎ型コンタクト層１５との間には、後述する絶縁膜２９が介在しており、これらの間の電気的絶縁性が確保されている。

各リード部７ｂの先端部には、接合層２７が接続されている。この接合層２７は、電極パッド９と、ｎ型コンタクト層１５上に形成された後述する絶縁膜２９との間に介在し、電極パッド９と絶縁膜２９とを接合している。この接合層２７は、絶縁膜２９との密着性がアノード電極７より高くなる材料で形成されており、例えば、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）を主成分とする材料で形成される。なお、絶縁膜２９が接合層２７とｎ型コンタクト層１５との間に介在することによって、これらの間の電気的絶縁性が確保されている。また、Ｔｉ又はＣｒは、例えば、絶縁膜２９が後述のＳｉＯ_２又はＴｉＯ_２といった酸化物で形成される場合、絶縁膜２９の表面に存在する酸素と結合し易く、極めて薄い酸化物層を形成することにより、絶縁膜２９との密着性が高くなると考えられる。また、Ｔｉ又はＣｒは、例えば、絶縁膜２９が後述のＳｉＮで形成される場合、絶縁膜２９の表面に存在するＳｉの未結合手（ダングリングボンド）と結合した酸素と結合し易く、極めて薄い酸化物層を形成することにより、絶縁膜２９との密着性が高くなると考えられる。

なお、アノード電極７及び接合層２７と、絶縁膜２９との密着性は、例えば、テープ試験によって評価することができる。絶縁膜２９上に形成されたアノード電極７及び接合層２７のそれぞれに同じ粘着力を有する粘着テープを貼り付けた後、各々の粘着テープを引き剥がし、アノード電極７及び接合層２７の剥離の有無、剥離の発生頻度等を比較することによって評価することができる。

図１及び図２に示すように、電極パッド９は、ｎ型コンタクト層１５上における発光部５の形成されていない第２領域Ｓ２に千鳥状に並べて配置されており、接合層２７を介して各アノード電極７のリード部７ｂの先端部に接続されている。

ここで、電極パッド９の断面構成について、図３を参照して説明する。図３に示すように、電極パッド９は、バリアメタル層９ａ及びボンディングパッド層９ｂをこの順に接合層２７上に積層して構成されている。バリアメタル層９ａは、アノード電極７を構成するＡｇがボンディングパッド層９ｂ内へ拡散するのを抑制するためのものであり、例えば、タンタル（Ｔａ）又はタングステン（Ｗ）を主成分とする材料で形成される。ボンディングパッド層９ｂは、ワイヤボンディング等により電極パッド９を外部接続するためのものであり、例えば、金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）で形成される。

図1及び図２に示すように、カソード電極１１は、複数の発光部５の配列方向に沿って延びるように形成され、ｎ型コンタクト層１５に接合されている。カソード電極１１は、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａ等で形成される。

上記のアノード電極７、電極パッド９及びカソード電極１１は、例えば、それぞれを構成する金属膜を蒸着法等によって形成した後、エッチングやリフトオフ法によりパターニングして形成することができる。

図２に示すように、半導体積層部１３上には、アノード電極７とｐ型コンタクト層２３との接合部分、及びカソード電極１１とｎ型コンタクト層１５との接合部分を除いて、絶縁膜２９が形成されている。なお、図1では、説明の便宜上、絶縁膜２９を図示していない。絶縁膜２９は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）又は酸化チタン（ＴｉＯ_２）によって形成され、半導体積層部１３とリード部７ｂ及び電極パッド９との間の電気的絶縁性を確保している。また、絶縁膜２９は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、プラズマＣＶＤ法等により形成した後、エッチングによりパターニングすることで形成することができる。

以上のように構成されたＬＥＤアレイ１は、各電極パッド９及びカソード電極１１をワイヤボンディング等により外部の駆動電源と接続し、アノード電極７とカソード電極１１との間に順方向電圧を印加することで、発光部５に電流が供給され、ｐｎ接合を有する発光部５が発光する。なお、順方向電圧を印加するアノード電極７を選択することによって、発光部５を選択的に発光させることができる。

本実施形態のＬＥＤアレイ１は、ワイヤボンディングによるフェイスアップ実装やバンプ接続によるフリップチップ実装によって実装基板上に実装することで使用することができる。なお、本実施形態では、基板３が透光性を有するサファイアで構成され、発光部５上に形成されたアノード電極７がＡｇで構成されている。アノード電極７を構成するＡｇは、ＩｎＧａＮからなる活性層１９から放射される３６５〜５６０ｎｍ程度の波長の光に対する反射率が高い。したがって、本実施形態のＬＥＤアレイ１は、フリップチップ実装によって基板３側から光を取り出すことで、好適に使用することができる。また、この場合、ｐ型コンタクト層２３上の広い範囲にアノード電極７のコンタクト部７ａを形成することで、活性層１９からｐ型コンタクト層２３側に放射される光をより多く反射させることができるとともに、ｐ型コンタクト層２３との接触抵抗をより低減させることができる。

本実施形態に係るＬＥＤアレイ１によれば、電極パッド９と絶縁膜２９とを接合する接合層２７を、絶縁膜２９との密着性がアノード電極７より高くなる材料（本実施形態では、Ｔｉ又はＣｒ）で形成している。そのため、電極パッド９が絶縁膜２９上から剥離することを抑制することができる。より詳細には、次の通りである。

つまり、本実施形態に係るＬＥＤアレイ１では、ｐ型コンタクト層２３がｐ型のＧａＮで形成されている。ｐ型のＧａＮは、接触抵抗が非常に高いことが一般に知られている。これに対し、本実施形態では、ｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層２３に、Ａｇを主成分として形成されたアノード電極７を接続しているため、ｐ型コンタクト層２３の接触抵抗が低減される。

しかしながら、アノード電極７を形成するＡｇは、ＳｉＯ_２等からなる絶縁膜２９との密着性が低い。そのため、例えば、図４に示すように、アノード電極７を形成するＡｇを用いて電極パッド９をアノード電極７と一体的に形成すると、電極パッド９と絶縁膜２９との密着性が低くなる。したがって、例えば、電極パッド９上へのワイヤボンディング等の際に電極パッド９が引っ張られたり、電極パッド９上にバンプを形成してフリップチップ実装した後に外力が加わること等により、電極パッド９が絶縁膜２９上から剥離し易い。

これに対し、本実施形態では、図２に示すように、アノード電極７と電極パッド９とを別体で構成し、絶縁膜２９との密着性がアノード電極７より高くなる材料で形成された接合層２７によって、電極パッド９と絶縁膜２９とを接合している。そのため、電極パッド９の絶縁膜２９上への密着性が向上し、絶縁膜２９上からの電極パッド９の剥離を抑制することができる。

したがって、本実施形態のＬＥＤアレイ１によれば、ｐ型コンタクト層２３とアノード電極７との接触抵抗を低減させつつ、電極パッドへのワイヤボンディングの際等に電極パッド９が剥離するのを抑制することができる。

また、本実施形態のＬＥＤアレイ１によれば、従来例のように電極パッドがｐ型コンタクト層上に形成されるのではなく、ｎ型コンタクト層１５上の第２領域Ｓ２に形成されているため、複数の発光部５の高密度配置を可能にしている。つまり、複数の発光部５を高密度配置する場合、発光部５を小型化する必要があるが、電極パッド９はワイヤボンディングのためのスペースを確保する必要があるため、発光部５の小型化に応じて小型化することができない。これに対し、本実施形態では、ｐ型コンタクト層２３上ではなく、ｎ型コンタクト層１５上の発光部５が形成されていない領域（第２領域）に、電極パッド９を、絶縁膜２９との密着性を確保しつつ設けることができる。この領域は、電極パッド９の配置自由度が比較的高いため、電極パッド９を小型化せずに発光部５の高密度配置を可能にすることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、半導体積層部１３の層構成は、ｐ型半導体領域２５ｐ及びｎ型半導体領域２５ｎを構成する各半導体層が、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等のＧａを少なくとも含む窒化物半導体で形成されている限り、上記実施形態に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、図２に示すように、アノード電極７のリード部７ｂと接合層２７とを接続しているが、アノード電極７と電極パッド９とが電気的に接続されている限り、これに限定されるものではない。例えば、図５に示すように、アノード電極７にリード部７ｂを設けず、コンタクト部７ａと接合層２７とを接続してもよい。

また、上記実施形態では、図２に示すように、絶縁膜２９が半導体積層部１３上に全体的に形成されているが、少なくともｎ型半導体領域２５ｎを被覆して、ｐ型半導体領域２５ｐに接続されるアノード電極７及び電極パッド９とｎ型半導体領域２５ｎとの間の絶縁性を確保できる限り、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、アノード電極７をＡｇを主成分とする材料で形成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）及び金（Ａｕ）のうちの少なくとも１つを主成分とする材料で形成してもよい。これらの材料を用いることで、Ａｇと同様、ｐ型コンタクト層２３との接触抵抗を低減することができる。また、これらの材料はＡｇに比べて化学的に安定な金属であるので、図３に示す拡散を抑制するためのバリアメタル層９ａを形成しなくてもよい。

また、上記実施形態に係るＬＥＤアレイ１では、複数の発光部５を一列に配置しているが、これに限定されるものではなく、例えば、複数列に配置したり、千鳥状に列をなして配置してもよいし、マトリクス状に配置してもよい。

また、上記実施形態に係るＬＥＤアレイ１は、基板３を備えているが、例えば、基板３上に半導体積層部１３を構成する各半導体層をエピタキシャル成長させ、絶縁膜２９、アノード電極７、電極パッド９及びカソード電極１１を形成してＬＥＤアレイ１を形成した後に、レーザーリフトオフ法等を用いて基板３と半導体積層部１３とを分離してもよい。

また、上記実施形態では、本発明に係る発光装置の一実施形態として、ＬＥＤアレイを例示したが、例えば、図６に示すように、１つの発光部５を有する発光素子として構成することも可能である。

１発光装置
３基板
５発光部
７アノード電極
９電極パッド
１１カソード電極
１３半導体積層部
２５ｎｎ型半導体領域
２５ｐｐ型半導体領域
２７接合層
２９絶縁膜
Ｓ１第１領域
Ｓ２第２領域

Claims

少なくとも一層のｎ型半導体層からなるｎ型半導体領域と、該ｎ型半導体領域上の第１領域に形成され、少なくとも一層のｐ型半導体層からなるｐ型半導体領域とを有する半導体積層部と、
前記ｐ型半導体領域に接続されるアノード電極と、
前記ｎ型半導体領域に接続されるカソード電極と、
少なくとも前記ｎ型半導体領域を被覆する絶縁膜と、
前記ｎ型半導体領域上の前記第１領域とは異なる第２領域に前記絶縁膜を介して形成され、前記アノード電極に接続された電極パッドと、
前記電極パッドと前記絶縁膜との間に介在し、該電極パッドと該絶縁膜とを接合する接合層と、
を備え、
前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層は、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成され、
前記アノード電極は、銀、ニッケル、パラジウム、ロジウム及び金のうちの少なくとも１つを主成分として形成され、
前記接合層は、前記絶縁膜との密着性が前記アノード電極より高くなる材料で形成されていることを特徴とする、発光装置。
前記接合層は、チタン及びクロムのうちの少なくとも１つを主成分として形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
前記絶縁膜は、酸化シリコン、窒化シリコン又は酸化チタンで形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の発光装置。
前記アノード電極は、銀を主成分として形成されており、
前記電極パッドは、前記アノード電極を形成する銀の拡散を抑制するバリアメタル層を有し、該バリアメタル層を介して前記アノード電極に接続されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の発光装置。
前記バリアメタル層は、タンタル及びタングステンのうちの少なくとも１つを主成分として形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の発光装置。
前記ｎ型半導体領域上に、複数の前記ｐ型半導体領域が列状又はマトリクス状に形成されることにより、複数の発光部を形成したことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の発光装置。