JPH11168239A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ｐ型層に対する透光性電極の占める割合を最
適化することによって発光素子の製造プロセス上の障害
をなくすとともに発光出力も高い発光素子を得ることを
目的とする。 【解決手段】 基板１の上に窒化ガリウム系化合物半導
体薄膜からなる少なくともｎ型層２及びｐ型層３を成長
させるとともにｐ型層３の上にｐ側透明電極４を形成
し、ｐ型層３の表面積をＡ₁及びｐ側透光性電極４の面
積をＡ₂とするとき、０．４Ａ₁≦Ａ₂≦０．９Ａ₁の関係
とし、ｐ型層３への電流の注入を最適化して発光出力を
高く維持するとともにｎ側層２との干渉も発生せず高い
歩留りを保てるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、青色発光ダイオー
ド等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子に係り、特にｐ型層の全体への電流の注入
を最適化して発光効率を高く維持できるようにした半導
体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ，ＧａＡｌＮ，ＩｎＧａＮ及びＩ
ｎＡｌＧａＮ等の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り、青色発光ダイオードの分
野での展開が進んでいる。

【０００３】この窒化ガリウム系化合物の半導体の製造
では、その表面において半導体膜を成長させるための結
晶基板として、一般的には絶縁性のサファイアが利用さ
れる。このサファイアのような絶縁性の結晶基板を用い
る場合では、窒化ガリウム系以外のたとえばＧａＡｓや
ＧａＡｌＰ等の半導体基板を利用する発光素子とは異な
って、結晶基板側から電極を出すことができないので、
半導体層に設けるｐ，ｎの電極は結晶基板の一面側に形
成されることになる。

【０００４】一方、サファイアを結晶基板とするものも
含めて、発光素子の製造においては、有機金属気相成長
法によって窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させ
るものが近来では主流である。すなわち、キャリヤガス
によって有機金属化合物ガス等の原料ガスを反応器の中
に送り込み、基板の表面にｎ型層とｐ型層とを成長させ
てこれらを積層形成するというものである。そして、こ
の成長形成の後にｐ型層の一部の領域をエッチングによ
って除去してｎ型層を露出させ、露出した部分のｎ型層
の表面及びｐ型層の表面のそれぞれにｎ側電極及びｐ側
電極をたとえば蒸着法によって接合したものとして発光
素子を得ることができる。

【０００５】近来では、このようなサファイアを結晶基
板として窒化ガリウム系化合物の半導体薄膜をｐ−ｎ接
合してｐ型層の領域を発光域とするものが主流であり、
たとえば特開平６−３１４８２２号公報にも同様の構成
の半導体発光素子が開示されている。

【０００６】ところで、窒化ガリウム系化合物半導体の
ｐ型層はｎ型層に比べるとその電気抵抗が高いので、電
流も流れにくい。このため、ワイヤボンディング用の電
極パッドをｐ型層の上面に蒸着法によって形成すると、
この電極パッド部分の下側にかけてしか電流が流れない
傾向にあり、ｐ型層の発光域の全体からの発光出力が低
下してしまう。

【０００７】これに対し、先の公報にも記載されている
ように、電極パッド部分だけでなくｐ型層の全体に電流
を注入しやすくするため、ｐ型層の上面に金属の薄い導
電膜を形成してこれを電極とすることが有効とされてい
る。そして、導電膜による電極を透光性としてｐ型層の
ほぼ全面を透光性電極とすれば、ｐ型層の上面をｐ−ｎ
接合域の発光層からの発光観測面とするアセンブリーが
可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ｐ型層の上面に透光性
電極を備えるものでは、この透光性電極の全体が発光観
測面側から見るとほぼ発光領域の全てを占めるといって
もよい。したがって、発光輝度や発光出力を上げるため
には、透光性電極が占める面積が大きいほうが効果的で
ある。たとえば、ｐ型層の上面の全面に透光性電極を形
成すれば、ワイヤボンディングのためのｐ側電極パッド
が占める領域以外の全面を光取出し面とすることができ
る。

【０００９】ところが、窒化ガリウム化合物系半導体の
発光素子の一般的な製造プロセスは、サファイア基板の
上にｎ型層及びｐ型層を順に積層した後に、ｐ型層の一
部をエッチングにより除去してｎ型層を露出させてこの
露出部分にｎ側電極パッドを蒸着形成するというもので
ある。このため、ｐ型層の全面に透光性電極を蒸着によ
って形成する場合、透光性電極のパターニングの精度不
良などに起因してこの透光性電極がｎ側電極に接触して
しまう可能性が高くなり、製品の歩留りへの影響は無視
できない。したがって、ｐ型層の上面の全体に透光性電
極を形成すること自体は発光性能の向上を促すものの、
製造上ではパターニングなどについて厳しい精度及び管
理が必要となり、現状の製造プロセスでの対応性に乏し
い。

【００１０】一方、このような製造プロセスでの問題を
解消するには、透光性電極の領域を小さくしてｎ側電極
との接触を避けるようにすればよい。すなわち、透光性
電極がｐ型層の外周縁よりも小さくなるような範囲の領
域とし、製造誤差に対する安全係数を大きくした設計と
すれば、ｎ側電極との接触等による製品不良をなくすこ
とができる。

【００１１】このように、ｐ側電極の上面に形成する透
光性電極の大きさは、これが大きすぎると製品の歩留り
に影響を及ぼし、これを避けようとすると透光性電極の
大きさが不足して光取出し面が小さくなり、発光出力の
低下を招くことになる。すなわち、製造プロセス上では
透光性電極の大きさに制限を設けたほうが歩留りの向上
になるのに対し、製品自体からみれば発光性能の低下と
なってしまい、製造上の問題として捉えるか製品の品質
を優先させるかで設計思想は大きく別れる。

【００１２】以上のように、透光性電極をｐ型層の上面
に形成することは、発光性能の向上が図れるものの、ｐ
型層に対して透光性電極の大きさがどの程度の大きさで
あれば、製造面でも品質面でも最適化が図れるかまでに
は至っていない。

【００１３】本発明において解決すべき課題は、ｐ型層
に対する透光性電極の占める割合を最適化することによ
って発光素子の製造プロセス上の障害をなくすとともに
発光出力も高い発光素子が得られるようにすることにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板の上に窒
化ガリウム系化合物半導体薄膜からなる少なくともｎ型
層及びｐ型層を成長させた積層構造を持ち、ｐ型層の一
部からｎ型層を露出させてこの露出部分にｎ側電極パッ
ドを接合形成し、ｐ型層の上に透光性電極及びｐ側電極
パッドを接合した発光素子であって、ｐ型層の表面積か
らｐ側電極パッドの接合形成面積を差し引いた面積をＡ
₁とし、透光性電極の形成面積をＡ₂とするとき、０．４
Ａ₁≦Ａ₂≦０．９Ａ₁の関係としてなることを特徴とす
る。

【００１５】この構成によれば、透光性電極の表面積Ａ
₂がｐ型層への電流の注入に大きく影響するので、これ
を最適化するｐ型層の表面積Ａ₁との間の関係とするこ
とによって、透光性電極の表面からの発光出力及び製造
歩留りを高く維持することが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、基板の
上に窒化ガリウム系化合物半導体薄膜からなる少なくと
もｎ型層及びｐ型層を成長させた積層構造を持ち、ｐ型
層の一部からｎ型層を露出させてこの露出部分にｎ側電
極パッドを接合形成し、ｐ型層の上に透光性電極及びｐ
側電極パッドを接合した発光素子であって、ｐ型層の表
面積からｐ側電極パッドの接合形成面積を差し引いた面
積をＡ₁とし、透光性電極の形成面積をＡ₂とするとき、
０．４Ａ₁≦Ａ₂≦０．９Ａ₁の関係としてなるものであ
り、透光性電極の表面積Ａ₂と、ｐ型層の表面積からｐ
側電極パッドの接合形成面積を差し引いた面積Ａ₁の間
の関係が最適となるように特定することで、発光出力及
び製品歩留りの向上を可能とするという作用を有する。

【００１７】以下に、本発明の実施の形態の具体例を図
面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形
態による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の斜視
図、図２は図１の発光素子の平面図、図３は図２のＡ−
Ａ線矢視による縦断面図である。

【００１８】図１において、サファイアを利用した絶縁
性の基板１の表面に、ｎ型層２及びｐ型層３がそれぞれ
従来周知の有機金属気相成長法によって形成され、ｐ型
層３の上面にはｐ側透光性電極４を蒸着法によって接合
するとともに、このｐ側透光性電極４の上面にｐ側電極
パッド５を蒸着法によって固定している。そして、ｐ型
層３の一部をエッチングによって除去した露出した部分
のｎ型層２の表面には、同様に蒸着法によってｎ側電極
パッド６を接合している。また、図３に示すように、ｎ
型層２とｐ型層３との間には、窒化インジウムガリウム
（ＩｎＧａＮ）の薄膜によって形成された発光層７が形
成されている。

【００１９】図４はｎ型層２及びｐ型層３の基板１上で
の成長形成からｐ側透光性電極４及びｎ側パッド６の蒸
着までの工程を順に示す概略図である。これらの図はウ
ェーハにおける１素子のみに関する概略図であり、実際
には図に示す素子が二次元的に繰り返し形成されたウェ
ーハとして製造が行われる。

【００２０】ｎ型層２及びｐ型層３は、有機金属気相成
長法によって形成されるもので、基板１の表面にそれぞ
れにｎ型ＧａＮ薄膜とｐ型ＧａＮ薄膜を順に積層させる
ことにより、同図４の（ａ）に示すようにホモ接合型の
発光素子が得られる。

【００２１】次いで、ｐ型ＧａＮのｐ型層３に対して、
同図４（ｂ）に示すように基板１のコーナー部に対応す
る位置にほぼ４分の１の円状の領域をエッチングして、
ｎ型層２の一部を露出させる。

【００２２】以上のｎ型層２及びｐ型層３の成長及びｐ
型層３の一部のエッチングによる除去の後には、同図４
（ｃ）に示すように一部が除去されたｐ型層３のほぼ全
面に被さる大きさのｐ側透光性電極４が蒸着法によって
形成され、剥き出しになっている部分のｎ型層エッチン
グ面２ａの表面には円形のｎ側電極パッド６が同様に蒸
着法によって形成される。そして、ｐ側透光性電極４の
蒸着形成の後には、図１に示したように、ｐ側透光性電
極６の上にｐ側電極パッド５が蒸着によって形成され
る。なお、既に説明したように、窒化インジウムガリウ
ム（ＩｎＧａＮ）の薄膜によって形成した発光層７をｎ
型層２とｐ型層３との間に介在させるダブルへテロ構造
とすることもでき、この場合ではより発光出力の高い発
光素子が得られることは周知のとおりである。このよう
な工程を経た後、ウェーハは研磨によってその厚みを１
００ミクロン程度にまで薄くされ、スクライブ等により
図１に示したような素子として分離される。

【００２３】このようにして製作された発光素子は、ｐ
側電極パッド５及びｎ側電極パッド６のそれぞれをワイ
ヤボンディングして結線した後、モールド成形により樹
脂封止すれば、最終製品としての発光ダイオードが得ら
れる。

【００２４】ここで、ｐ型層３の上面に薄肉の金属導電
性膜を展開してｐ側透光性電極４を形成することで、発
光出力が向上することは従来技術の項で述べたとおりで
ある。そして、このｐ側透光性電極４がｐ型層３の広さ
に対してどのような比率にあるかや、その形状分布につ
いては特別な設計事項として掲げられていないというの
が従来の構造であった。

【００２５】これに対し、本発明では、ｐ型層３の表面
積に対するｐ側透光性電極４の面積比を最適化すること
によって、製造プロセスにおける歩留りの向上と発光素
子製品の発光出力を高く維持することを可能とするもの
であり、以下このことを説明する。

【００２６】本発明者等は、図１〜図３に示した形態の
発光素子について、ｐ型層３の全体へ電流が注入され、
これによってｐ−ｎ接合部分の発光層７からの発光域が
拡大されて発光出力が向上するのであるから、この発光
域の拡大を促すｐ側透光性電極４の大きさがｐ型層３の
表面積とどのような関係とするのがよいかを探究し、そ
の結果次のような知見を得た。

【００２７】まず、ｐ側透光性電極４の大きさとｐ型層
３の表面積との関係は、これらの間の大きさの比率とそ
れぞれの形状の関係に別けて考えることができる。

【００２８】後者の形状の関係については、ｐ型層３と
ｐ側透光性電極４のそれぞれの平面形状が完全一致する
かまたはｐ側透光性電極４のほうが小さい関係とするこ
とは当然であり、製造プロセスの面からすればｐ側透光
性電極４のほうが無論小さくなる。そして、一般的な発
光素子では、図示の例のように基板１をほぼ正方形の平
面形状としたものが多用されているので、ｐ型層３もそ
のエッチング部分を除くと単純な直線要素の平面外郭形
状である。したがって、ｐ側透光性電極４の蒸着形成に
際してのパターニングも単純化して製造に際しての操作
性を向上させるためにも、ｐ側透光性電極４についても
その外郭形状を直線要素が主の単純形状とするほうが都
合がよく、たとえば、図示の例でも示すように、ｐ型層
３と相似となるような関係とすればよい。

【００２９】以上のことから、ｐ型層３とｐ側透光性電
極４との間のそれぞれの形状の関係はさほど重要視する
必要はなく、要は面積比率の具体的な数値範囲を特定す
れば済むことになる。そして、この数値範囲の設定につ
いて考慮すべきは、製造後においてｎ型層２やｎ側電極
パッド６のワイヤボンディングエリアに干渉しないこと
と、所定の発光出力が維持できて輝度の低下がないこと
である。そして、前者の条件は製造プロセスにおいて重
要な因子であり、後者は最終製品として要求される事項
に相当することは明らかである。

【００３０】ここで、窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子においては、ｐ型層３の層方向への電流が流れ難い
傾向にあることは広く知られている。このため、ｐ側透
光性電極４とｐ側電極パッド５の領域の全体に電流が注
入されたとしても、ｐ型層３の全体を発光域とすること
は難しい。したがって、このｐ型層３に十分に電流を注
入することができる領域すなわちｐ側透光性電極４が形
成されている部分が、発光観測面側から観たときの発光
領域となる。また、ｐ側電極パッド５は光透過性ではな
いため、このｐ側電極パッド５で被覆されている面積を
除いたｐ側透光性電極４の表面領域が実際上の発光領域
となる。

【００３１】以上のことから、本発明者等は、ｐ型層３
の表面積をＡ₁及び発光領域となるｐ側透光性電極４の
面積をＡ₂としたとき、これらの表面積Ａ₁及び面積Ａ₂
と発光出力との関係について研究を重ねた結果、図５に
示すような関係があることが判明した。この図５に示す
相対発光出力の特性から明らかなように、Ａ₂／Ａ₁が
０．４以上であれば最大発光出力の８０％以上の相対発
光出力が得られることが判る。したがって、発光出力を
高く保つための条件としてＡ₂≧０．４Ａ₁とすれば、半
導体発光素子の用途や利用分野を勘案しても、十分は発
光出力を得るのに有効といえる。

【００３２】ところで、窒化ガリウム系化合物半導体を
用いるものも含めて、発光素子の発光出力は注入される
電流とともに増加する傾向にある。そして、実際の素子
においては、発光出力は注入された電流だけではなく、
発光域における発光効率にも依存する。この発光効率
は、発光域に注入される電流に対して得られる発光出力
の割合として定義されるものであり、一定の面積の発光
域に対して注入される電流すなわち電流密度によって変
化することが知られている。図６は電流密度と発光効率
の関係を示す線図であり、これから判るように、電流密
度が大きくなると発光効率は大きく低下する。このよう
な発光効率の急激な低下は、電流密度が大きくなると発
熱等を伴うため、発光域の温度が上昇して発光出力が飽
和するためである。したがって、発光域の面積がｐ側透
光性電極４の形成面積とほぼ一致する態様となる窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子では、発光出力を高く保
つためには、ｐ側透光性電極４の面積を発光効率が大き
く低下しない程度の大きさ以上とすることが好ましい。
そして、このようなｐ側透光性電極４の面積に関連する
設計事項として、先に導いた発光出力を高く保つための
条件であるＡ₂≧０．４Ａ₁が符合することを、本発明者
等は知見によって得た。

【００３３】一方、製造歩留りに関して、ｐ型層３の表
面積Ａ₁に対するｐ側透光性電極４の面積Ａ₂との関係に
ついても同様に研究を重ねた結果、図７に示す関係があ
ることが判明した。この図７に示す製造歩留りとｐ型層
３の表面積Ａ₁に対するｐ側透光性電極４の面積Ａ₂の比
率との関係から、Ａ₂／Ａ₁が０．９よりも大きくなる
と、製造歩留りが急激に低下していることが判る。この
ような製造歩留りの変化は、実際に製造した半導体発光
素子の調査・検証によれば、ｐ側透光性電極４がｎ型層
２に接触して干渉しているものが大部分であることが判
った。すなわち、ｐ型層３の上にパターニングして形成
するｐ側透光性電極４のパターニングのマージン幅が約
３μｍよりも小さくなると、ｎ型層２への干渉による製
造歩留りの低下が顕著に現れるのである。したがって、
製造歩留りの観点からは、Ａ₂／Ａ₁≦０．９とすること
が好ましいことが判る。

【００３４】以上のことから、発光出力を高く維持する
と同時に製造歩留りも高水準に維持するための条件は、
０．４Ａ₁≦Ａ₂≦０．９Ａ₁であることを本発明者等は
知見によって得た。

【００３５】このようなｐ型層３の表面積Ａ₁及びｐ側
透光性電極４の面積Ａ₂の関係のとき、０．４Ａ₁≦Ａ₂
の条件であれば発光出力が高く維持される。たとえば、
一般的な窒化ガリウム系化合物半導体の発光素子では、
ほぼ正方形の平面形状を持つサファイアの基板１の大き
さは、１辺が３５０μｍ程度であり、この基板１の上に
形成されるｐ型層３の大きさも７×１０⁴μｍ²程度であ
り、またｐ側電極パッド５の大きさは１３０×１３０μ
ｍ程度である。このような基板１，ｐ型層３及びｐ側電
極パッド５のそれぞれの大きさの関係と、ｐ側透光性電
極４から取出し可能な光量を勘案するとき、先の条件は
発光出力及び輝度の低下を招く因子とはなり得ず、図５
に示したような高い発光出力が得られる。

【００３６】また、Ａ₂≦０．９Ａ₁の条件から、ｐ側透
光性電極４は図２に示すようにｐ型層３の外郭縁との間
で一定の距離をおいて区画するような形状となり、その
縁部とｐ型層３の外周縁との間には同じ幅のマージン３
ａができることになる。そして、一般的な発光素子で
は、ｐ型層３の１辺の長さは３００μｍ程度であり、蒸
着パターニング操作の際の誤差は１〜２μｍの範囲であ
るのが現状である。したがって、このようなｐ型層３の
大きさであれば、Ａ₂≦０．９Ａ₁の条件から、マージン
３ａの幅を３μｍ以上の範囲とすることができ、製造プ
ロセスでのｐ側透光性電極４のｎ型層２への干渉はな
い。

【００３７】

【発明の効果】本発明では、発光性能が要求値よりも低
下しない最小範囲としかもｎ側と干渉しない程度の最大
範囲に含まれるように透光性電極の表面積とｐ型電極の
表面積の間の関係を最適化したので、発光出力を高く維
持した高性能の発光素子が得られる。また、製造プロセ
スにおいてもｎ側と透光性電極の接触がない生産が可能
となるので、歩留りも大幅に向上して生産性も改善され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子の斜視図

【図２】図１の発光素子の平面図

【図３】図２のＡ−Ａ線矢視による縦断面図

【図４】ｎ型層及びｐ型層の基板上での成長形成からｐ
側透光性電極及びｎ側パッドの蒸着までの工程を順に示
す概略図

【図５】相対発光出力とｐ型層の表面積に対するｐ側透
光性電極の面積の比率との関係を示す線図

【図６】窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における
電流密度と発光効率との関係を示す線図

【図７】製品歩留りとｐ型層の表面積に対するｐ側透光
性電極の面積の比率との関係を示す線図

【符号の説明】

１ 基板 ２ ｎ型層 ２ａ ｎ型層エッチング面 ３ ｐ型層 ３ａ マージン ４ ｐ側透光性電極 ５ ｐ側電極パッド ６ ｎ側電極パッド ７ 発光層

フロントページの続き (72)発明者 打浪 俊一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体薄
   膜からなる少なくともｎ型層及びｐ型層を成長させた積
   層構造を持ち、ｐ型層の一部からｎ型層を露出させてこ
   の露出部分にｎ側電極パッドを接合形成し、ｐ型層の上
   に透光性電極及びｐ側電極パッドを接合した発光素子で
   あって、ｐ型層の表面積からｐ側電極パッドの接合形成
   面積を差し引いた面積をＡ₁とし、透光性電極の形成面
   積をＡ₂とするとき、０．４Ａ₁≦Ａ₂≦０．９Ａ₁の関係
   としてなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。