JP3989658B2 - 半導体発光ダイオード - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光ダイオードに関し、さらに詳しくは、結線用台座電極から供給されるLED駆動電流を、窓層を介した発光部領域に広範に拡散するための導電性電極の構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
酸化インジウム・錫(英略称:ITO)などの導電性酸化物材料からなる窓層を備えたIII−V族化合物半導体発光ダイオード(LED)にあって、LED駆動電流は窓層の上表面に唯一配置された台座(pad)電極から供給される構造となっている。しかし、窓層を構成する酸化物層とLEDを構成するIII−V族化合物半導体層とを直接、接合させる構成とすると高い接合障壁が形成され、駆動電流を発光部に広範に拡散できない。従って、徒に高い順方向電圧(所謂、Vf)が帰結される。例えば、窒化ガリウム(化学式:GaN)に透明窓層としてITOを接合させた構成を具備したGaN系LEDのVf(順方向電流=20mA)は一般値の約2倍の7ボルト(単位:V)を越えるものとなる(Appl.Phys.Lett.,74(26)(1999)、3930〜3932頁参照)。これは、低電圧で駆動できる透明導電性窓層を具備した高輝度のGaN系LEDを得る際の妨げとなっている。
【0003】
砒化ガリウム(化学式:GaAs)と略格子整合するリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶((AlXGa1-X)0.5In0.5P(0≦X≦1))を発光層とするAlGaInP系LEDでは、ITOからなる透明酸化物窓層の上表面上に唯一、備えられた台座電極から供給される駆動電流を発光部へと効率的に流通させるために、窓層とLED構成層との間にコンタクト(contact)層を配置する構成が知れている(特開平11−17220号参照)。コンタクト層は窓層とLEDを構成するIII−V族化合物半導体層とのオーミック(Ohmic)接触性を促進させるために設けられ、GaAs、砒化リン化ガリウム(組成式:GaAs1-CPC:0≦C≦1)等から構成されるものとなっている(上記の特開平11−17220号公報参照)。しかし、従来のIII−V族化合物半導体LEDでは、発光波長に対応するよりも禁止帯幅を小とするIII−V族化合物半導体からなるコンタクト層が発光領域の表面を被覆して敷設されているため(上記の特開平11−17220号公報参照)、この構成ではコンタクト層に因り発光が吸収され、高輝度のIII−V族化合物半導体LEDを得るのに支障となっている。
【0004】
また、特開平11−4020号公報に記載される発明には、上表面に唯一、ボンディング用台座電極が敷設されたITO透明電極層とLED構成層との間に亜鉛(元素記号:Zn)等の金属膜を具備するAlGaInPLEDが開示されている。この従来技術に依れば、Zn等の金属膜はITO電極層とIII−V族化合物半導体構成層との密着性を増強する目的で、発光領域の全面に一様に万遍なく配置される構成となっている。この様にITO透明電極層の直下に金属材料からなる連続膜を配置する手段では、発光層からの発光が金属材料膜に容赦なく吸収されてしまうため、高輝度のAlGaInPLEDを得るに妨げとなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、発光部からの発光を効率的に外部に取り出せ、且つ、発光部領域に広範に駆動電流を拡散することができる素子の構成を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意努力検討した結果、本発明に到達した。即ち本発明は、
[1]発光層、窓層、および結線用台座電極を有する半導体発光ダイオードにおいて、素子平面における台座電極の射影領域以外に網目状の導電性電極を有することを特徴とする半導体発光ダイオード、
[2]素子の平面形状が、一辺の長さを150〜500μmとした略正方形であることを特徴とする[1]に記載の半導体発光ダイオード、
[3]網目状の導電性電極が、素子平面における台座電極の射影領域以外の略全面に敷設されていることを特徴とする[1]または[2]に記載の半導体発光ダイオード、
[4]網目状の導電性電極の素子平面における形状が、台座電極の射影領域の中心点について点対称となっていることを特徴とする[1]〜[3]の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード、
[5]網目状の導電性電極の素子平面における形状が、台座電極の射影領域の中心点を通る線について線対称となっていることを特徴とする[1]〜[4]の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード、
[6]発光層がIII−V族化合物半導体から形成されていることを特徴とする[1]〜[5]の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード、
[7]窓層が、酸化物から形成された層を含むことを特徴とする[1]〜[6]の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード、
[8]網目状の導電性電極が、金属から形成された層を含むことを特徴とする[1]〜[7]の何れか1項に記載の半導体ダイオード、
[9]網目状の導電性電極の素子平面上における面積の合計が、台座電極の底面積の、10〜500%の範囲内であることを特徴とする[1]〜[8]の何れか1項に記載の発光ダイオード、
[10]素子平面上において、網目状の導電性電極と台座電極の底部とを除く部分の面積が、素子平面全体に対する面積の比率で30〜95%の範囲であることを特徴とする[1]〜[9]の何れか1項に記載の発光ダイオード、
[11]網目状の導電性電極の素子平面における形状が、直径5〜200μmの範囲で円形に搾孔された領域を含むことを特徴とする[1]〜[10]の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード、
[12]網目状の導電性電極の素子平面における形状が、長径5〜200μmの範囲で楕円形に搾孔された領域を含むことを特徴とする[1]〜[11]の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード、
[13]網目状の導電性電極の素子平面における形状が、一辺の長さが5〜200μmの範囲で方形に搾孔された領域を含むことを特徴とする[1]〜[12]の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード、
[14]網目状の導電性電極の素子平面における形状が、一辺の長さが5〜200μmの範囲で多角形に搾孔された領域を含むことを特徴とする[1]〜[13]の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード、
[15]網目状の導電性電極の素子平面における形状が、幅が5〜100μmの範囲で帯状に搾孔された領域を含むことを特徴とする[1]〜[14]の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード、に関する。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる半導体LEDは、発光層、窓層、および結線用台座電極を有し、かつ素子平面における台座電極の射影領域以外に網目状の導電性電極を有することを特徴としている。特に本発明の構造の半導体LEDは、砒化アルミニウム・ガリウム(組成式AlXGa1-XAs:0≦X≦1)、砒化リン化ガリウム(組成式:GaAs1-XPX)、(AlXGa1-X)YIn1-YP、及び窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム(組成式AlXGaYIn1-X-YN:0≦X,Y≦1、X+Y≦1)等からなるIII−V族化合物から発光層(発光部)を構成すると好ましい効果が得られる。発光部を構成するIII−V族化合物半導体結晶層は、有機金属熱分解気相成長法(MOCVD法)、分子線エピタキシャル成長法(MBE法)、ハロゲン(halogen)或いはハイドライド(hydride)気相成長法等のエピタキシャル成長手段により成膜できる。図1は本発明の請求項1に係わる第1の実施形態の概念的に説明するためのIII−V族化合物半導体LED10の平面模式図である。また、図2は、図1に掲示するLED10の破線X−Yに沿った断面模式図である。
【0008】
図2を利用して説明すると、本発明に係わるLED10は、単結晶からなる基板101の表面上にエピタキシャル成長法に依り積層されたIII−V族化合物半導体層からなるn形またはp形クラッド(clad)層104、106と発光層105とのヘテロ(hetero)接合からなる発光部10aと、発光部10a上に冠された窓層108とを基本的に備えているものである。発光層104と緩衝層102との中間には、ブラッグ反射(DBR)103を挿入した構成としても差し支えはない。窓層108の上表面の中央部にはLED駆動電流を供給するための台座電極109が設けられている。本発明のLED10に特徴的なのは、窓層108をなす透明酸化物層と接合をなすIII−V族化合物半導体層106の表面上の開放発光領域106aに搾孔された開口部を有する網状の導電性電極107が敷設されていることにある。開放発光領域面106aとは、発光層104からの発光が遮蔽されることなく外部に取り出せる領域を云う。即ち、窓層108上の台座電極109が敷設されている領域の外周囲領域、または台座電極109の射影領域109a以外の領域が開放発光領域106aである。なお、台座電極109の射影領域109aにおいて本発明の網状の導電性電極107が施設されても本発明の効果が得られる。この場合、Vfをさらに下げることが可能となるが、台座電極により発光が遮蔽される部分への拡散電流が増加するため発光効率が若干低下する。
【0009】
また、本発明の更なる特徴は、開放発光領域106aに設ける導電性電極(オーミック電極)107が、搾孔されて開口部を有する網状の膜から構成されていることにある。その開口部では、LEDを構成する半導体層が露呈されることとなっている。例えば、図1及び図2に例示するLED10にあっては、発光部10aをなす上部クラッド層106が開口部に露呈している。開放発光領域106aに敷設する導電性電極107を、開口部を有する網状のオーミック電極107から構成すれば、開口部を通過して発光は遮蔽されることなく外部に導出される。従って、開放発光領域106aの平面積の徒な減少が回避できる利点がある。本発明に用いられる半導体LEDの好ましいチップ(chip)サイズ(図1に記号Qで示す)は150〜500μm、より好ましくは180〜300μmの範囲の略正方形であり、台座電極の好ましい大きさは底面形状が円形の場合の直径に換算して80〜160μmの範囲である。略正方形とは一辺の、他辺に対する比率が好ましくは0.8〜1.2である長方形または正方形である。また、導電性電極の開口部にあっては、好ましい開口部の形状は円形、楕円形、方形、多角形、帯状であり、それぞれの大きさは、円形の直径、楕円形の長径、方形の一辺の長さ、多角形の一辺の長さで好ましくは5〜200μm、より好ましくは5〜50μm、最も好ましくは5〜30μmであり、開口部が帯状の場合では、幅が好ましくは5〜100μm、より好ましくは5〜50μm、最も好ましくは 5〜30μmである。
【0010】
また、網目状の導電性電極の素子平面上における面積の合計(素子平面上において導電性電極と台座電極の底部が重なっている部分を含まない)が、台座電極の底面積に対する比率で、好ましくは10〜500%、より好ましくは20〜250%、最も好ましくは30〜150%の範囲内とし、更に、素子平面上において、網目状の導電性電極と台座電極の底部とを除く部分の面積が、素子平面全体に対する比率で、好ましくは30〜95%、より好ましくは35〜90%、最も好ましくは40〜80%の範囲とすることでVfの低減と、発光効率の向上をはかることが可能となる。
【0011】
導電性電極107は、アルミニウム(Ai)、ニッケル(元素記号:Ni)等から構成できるが、特に、金(Au)合金から形成された層を含む構造とすると、台座電極から供給された電流を発光層に効率良く拡散でき好ましい。その中でも、n形半導体構成層については、金(元素記号:Au)−ゲルマニウム(元素記号:Ge)合金、金−インジウム(元素記号:In)合金或いは金−錫(元素記号:Sn)合金等の金合金類から構成すると、オーミック接触性に優れる電極が構成できる。またp形の半導体層については、金−亜鉛(元素記号:Zn)合金または金−ベリリウム(元素記号:Be)合金などからオーミック接触性に優れる電極がもたらされる。本発明に係わる網状電極では、開口部(搾孔部)以外は互いに連結しており、その連結部に於いて電気的導通が確保されている。従って、発光を透過させるための開口部を有しつつ、電気的導通を発揮するオーミック接触性に優れる網状電極を開放発光領域106aの略全面に敷設する手段に依れば、台座電極109より導電性透明酸化物窓層108を介して供給される駆動電流を発光部10aに効率的に流通させることができる。良好なLED駆動電流の通流性を得るには、導電性電極107をなす網状膜の膜厚を増加させて通流抵抗を減ずる必要がある。開放発光領域106aの略全域に駆動電流を拡散できる低抵抗を獲得するに必要な網状電極膜の膜厚は5ナノメータ(単位:nm)以上である。網状金属膜を極端に厚くすると、III−V族化合物半導体構成層と網状金属膜との段差が大となり、後述する窓層を構成する場合に網状膜の周囲を充分に被覆できない不都合が発生する。このため、網状電極をなす膜の膜厚は600nm以下とするのが望ましい。
【0012】
開放発光領域106aでの電界分布をより均等とするために、導電性電極107をなす網状膜に於ける開口部(搾孔部)の素子平面における形状は、台座電極109(台座電極109の射影領域109a)の中心点Mについて点対称、または中心点Mを通る何れかの中心線C1、C2に線対称の関係に配置されているのが望ましい。さらに上記の開口部は、複数個設置するのが望ましい。また、開口部は開放発光領域106aに於いて、互いに等間隔(=d)に位置させるのが、開放発光領域106aで均一な電界強度分布を形成する上で好都合である。更には、台座電極109(台座電極の射影領域109a)の平面形状の中心点Mから等距離(=R)を保ちつつ、相互に等しい間隔(=d)に配置するのが更に好都合である。均一な電界強度分布は開放発光領域106aでの均一な強度の発光をもたらすのに貢献できる。また、搾孔部を設ける間隔を極端に短縮すると、即ち、隣接する搾孔部間の間隔を極端に小として、金属膜の連結部の幅を減ずることとすると、動作電流の通流に対し抵抗が増加し、開放発光領域106aの全域に充分に動作電流を拡散できない不都合が発生する。また、例えば、間隔が5μm或いはそれ以下の小ささであると微細加工時に搾孔部間の金属連結部が断裂する確率が増し、動作電流の広範囲に亘る拡散が定常的に達成されない場合が発生する。
【0013】
導電性電極107を覆う窓層108はGaP、AlGaAs、金属酸化物等から構成することができるが、特に酸化物から形成された層を含む構成とすることが好ましく、この中では、酸化インジウム(In2O3)、酸化錫(SnO2)、酸化インジウム・錫(ITO)等の導電性の透明酸化物材料から構成することが特に好ましい。また、アルミニウム(元素記号:Al)、ガリウム(元素記号:Ga)、またはインジウム(元素記号:In)をドーピングして低抵抗率とした酸化亜鉛(化学式:ZnO)も好適に利用できる。上表面に設ける台座電極109より供給されるLED駆動電流を網状の導電性電極107に流通させるために、窓層108は約1×10-3オーム・センチメートル(Ω・cm)以下、望ましくは約5×10-4Ω・cm程度の低抵抗率の材料から構成する。また、III−V族化合物半導体発光層から放射される近紫外帯光、青色帯光或いは緑色帯光などの短波長発光を外部に充分に取り出すために作用を発揮させるには、窓層108は禁止帯幅を大凡、3エレクトロンボルト(単位:eV)以上とする材料から構成するのが好ましい。ちなみにITOと酸化亜鉛の室温での禁止帯幅は約3.4〜3.5eVである。窓層108を構成する導電性酸化物層の層厚は、発光波長に対し高い透過率を与える厚さに設定する。
【0014】
窓層108の上表面に設ける台座電極109の平面形状は一般的な円形、楕円形或いは、正方形または長方形などの方形に加え、正六角形や正八角形等の多角形とすることができる。何れの平面形状を選択するにしても、左右対称となる開放発光領域106aをもたらす様に、台座電極109の平面形状は左右対称形であるのが望ましい。また、何れの平面形状の台座電極109にあっても、容易に結線が達成でき、且つ開放発光領域106aの表面積の徒な減少を招くことのない様に、円形台座電極では直径、楕円形台座電極では長径、正方形の台座電極では一辺の長さ、長方形の台座電極では短辺の長さ、多角形の台座電極では対角線の長さを少なくとも約80〜160μmの範囲とすることが望ましい。
【0015】
一方、網状膜からなる上記の導電性電極107とは極性を反対とする他の導電性電極110は、用いる基板101がn形またはp形の導電性結晶である場合、基板101の裏面に設けられる。基板101の裏面に敷設される導電性電極110は、基板裏面の表面の略全面に亘り設けられるのが一般的である。不導体或いは絶縁性の基板101である場合、導電性電極110は基板101上に積層されたn形或いはp形の、導電性のIII−V族化合物半導体構成層の一部領域上に敷設されるのが一般的である。
【0016】
本発明の請求項11に係わる第11の実施形態は、円形に搾孔された領域を含む網状の電極から導電性電極を構成することを特徴としている。図3に本実施形態に係わる導電性電極107を備えたIII−V族化合物半導体LED20の平面模式図を例示する。円形の搾孔部111が円形の台座電極109(台座電極109の射影領域109a)の、平面形状の中心点Mを通過する中心線C1、C2(対角線L1、L2)に対して線対称の関係となる位置に設けられている。円形の搾孔部111は即ち、開口部であり、直下のIII−V族化合物半導体構成層が露呈している領域となっている。従って、発光部から出射される発光を遮蔽することのない構成となっている。図3に例示した網状電極では、搾孔部は全て同一の直径を有する円形としているが、必ずしも全ての搾孔部の平面形状を同一とする必要はない。例えば、台座電極の周囲の、LEDの中央付近の搾孔部を円形とし、LEDの周縁部辺の搾孔部を楕円形とした網状電極からも導電性電極は構成できる。搾孔部の平面形状或いは搾孔面積(開口面積)を開放発光領域内で領域に依って変化させるにしても、帰結される網状電極は中心線(C1、C2)或いは対角線(L1、L2)に対して左右対称とするのが最適である。開放発光領域106aに於ける電位分布を均等となすためである。
【0017】
本発明の請求項12に係わる第12の実施形態では、楕円形に搾孔された領域を含む網状の電極から導電性電極を構成することとする。搾孔部の平面形状を上記の第10の実施形態に記す如く円形とする、或いは本実施形態の様に楕円形となすことにより、左右対称の形状を有する網状の電極が容易にもたらされるからである。図4に本実施形態に係わる楕円形の搾孔部112を有する導電性電極107を備えたIII−V族化合物半導体LED30の平面構造を模式的に示す。楕円形の搾孔部112は、その長径112aをLED30の中心線C1、C2または対角線L1、L2の何れかに平行にして設けた導電性電極107は、全て正楕円形に搾孔したものであるが、円形の搾孔部と楕円形の搾孔部とを備えた網状電極からも構成できる。
【0018】
本発明の請求項13に係わる第13の実施形態では、方形に搾孔された領域113を含む網状の電極から導電性電極を構成する。図5に本実施形態に係わる導電性電極107を備えたIII−V族化合物半導体LED40の平面模式図を示す。図4に例示する導電性電極107は正方形に搾孔された網状金属膜から構成されているが、搾孔部は長方形としても差し支えない。正方形と長方形の搾孔部を備えた網状膜からも導電性電極を構成できる。形状を異にする開口部を設ける場合、開口部の形状並びに位置は中心線C1、C2、或いは対角線L1、L2に対して線対称となる様に設ける。開放発光領域106aでの均等な電位分布を形成するためである。台座電極の射影領域109aに於ける発光は台座電極109に遮蔽されて外部へ取り出せないため、台座電極109の直下に動作電流を流通させたところで、発光強度の向上は殆ど達成できない。本発明の如く、開放発光領域106aに限定して、且つ優先的に動作電流を流通できる形状の導電性電極を配置すれば、開放発光領域106aの略全域に亘り拡散でき高発光強度のIII−V族化合物半導体LEDを得るのに有利となる。
【0019】
本発明の請求項14に係わる第14の実施形態では、多角形に搾孔された領域を含む網状の電極から導電性電極を構成する。特に、搾孔部の形状は、正六角形、正八角形等の左右対称形の多角形とするのが左右対称の平面形状の網状電極を得る上で好適である。図6に本実施例に係わる正六角形の搾孔部114を有する導電性電極107を備えたLED50を例示する。多角形状に搾孔された領域以外の領域は連結部であるため、動作電流を、この部位を導路として開放発光領域106aの略全域に均等に一様に拡散させることができる。また、図7に台座電極109の射影領域109a以外の開放発光領域106aにあって、射影領域109aの周辺領域に正六角形状の搾孔部114を有し、開放発光領域106aの周縁領域に円形の111を設けてなる網状膜からなる導電性電極107を備えたLED60の平面構成を模式的に例示する。台座電極109の直下に在る射影領域109aでは、窓層108と半導体構成層とが直接、接触をなし、高い接合障壁を構成している。このため、台座電極109より供給されるLED動作電流は台座電極の射影領域109aよりも開放発光領域106aに優先的に流通され得る。従って、発光の外部取り出し効率の向上が果たせ、高発光強度の半導体LEDが得られる。
【0020】
本発明の請求項15に係わる第15の実施形態では、帯状に搾孔された領域を含む網状の電極から導電性電極を構成する。帯状の搾孔部115はLEDの中心線C1、C2または対角線L1、L2に平行に配置するのが好適である。図8に一中心線C1に平行な方向に沿って帯状に搾孔された網状電極を備えたLED70を例示する。また、図9の平面模式図に示すLED80は、両中心線C1、C2に平行に設けた帯状の搾孔部115を有する導電性電極107を備えたものである。また、図10に中心線C1、C2に平行な帯状の搾孔部115を縦横に組み合わせてなる開口部を有する導電性電極107を備えたLED90を例示する。何れの平面形状とするにしても搾孔部以外は連結した金属膜から構成する必要がある。開放発光領域106aの全域に亘り広範にLED駆動電流の拡散を果たすためである。
【0021】
【実施例】
(実施例1)
以下、本発明を、実施例を基に詳細に説明する。図11に本実施例に係わるAlGaInP系LED100の平面模式図を示す。また、図12は図11に示すLED100の破線A−A’に沿った断面模式図である。
【0022】
LED100は、直径約50mmの亜鉛(Zn)ドープp形(001)−GaAs単結晶円形基板201上に順次、積層されたZnドープp形GaAs緩衝層202、何れもZnをドーピングしたp形Al0.40Ga0.60As層とp形Al0.95Ga0.05As層とを交互に12層積層した周期構造からなるブラッグ反射(DBR)層203、Znドープp形(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pから成る下部クラッド層204、アンドープのn形(Al0.2Ga0.8)0.5In0.5P混晶から成る発光層205、及びSiドープn形(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pから成る上部クラッド層206から構成されるエピタキシャル積層構造体(ウェハ)1Aを母体材料として構成した。
【0023】
積層構造体1Aを構成する各構成層202〜206はトリメチルアルミニウム((CH3)3Al)、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)及びトリメチルインジウム((CH3)3In)をIII族構成元素の原料とする減圧MOCVD法により成膜した。亜鉛(Zn)のドーピング源にはジエチル亜鉛((C2H5)2Zn)を利用した。珪素(Si)のドーパント源にはジシラン(Si2H6)を使用した。各構成層202〜206の成膜温度は730℃に統一した。緩衝層202のキャリア濃度は約5×1018cm-3に、また、層厚は約1μmとした。DBR層203をなすn形Al0.40Ga0.60As層とn形Al0.95Ga0.05As層の層厚は各々、約40nmとした。キャリア濃度は各々、約1×1018cm-3とした。下部クラッド層204のキャリア濃度は約3×1018cm-3に、また、層厚は約1.5μmとした。発光層205の層厚は約15nmとし、キャリア濃度は約5×1016cm-3とした。n形上部クラッド層206のキャリア濃度は約2×1018cm-3とし、また、層厚は約5μmとした。
【0024】
n形上部クラッド層206の表面の全面に、一般的な真空蒸着法により膜厚を約50nmとする金・ゲルマニウム合金(Au95重量%−Ge5重量%合金)膜を被着させた。続けて、膜厚を約50nmとする金(Au)被膜を上記のAu−Ge合金膜の表面上に被着させた。次に、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してAu−Ge/Au重層膜にパターニングを施し、第1及び第2の円弧状の搾孔部207a、207bと円形の搾孔部207cとを併在させた導電性電極207を形成した。第1の円弧状搾孔部207aは台座電極209の射影領域209aの、平面形状の中心Mを中心とする直径180μmの円周上に設けた。第1の円弧状搾孔部207aはLED100の両中心線C1、C2に対し左右対称となる様に配置した。第1の円弧状搾孔部207aの幅は約50μmとし、第1の円弧207aの円周に沿った円弧の長さは約95μmとした。第2の円弧状の搾孔部207bは台座電極の射影領域209aの中心Mを中心とする直径220μmの円周上の計4箇所に設けた。第2の円弧状の搾孔部207bはLED100の両対角線C1、C2に対し左右対称となる様に配置した。第2の円弧状の、搾孔部207bの幅は約60μmとし、円弧の長さは約115μmとした。第2の円弧状の搾孔部207bとLED100の外縁部100bとの中間には、直径を30μmとする円形の搾孔部207cを設けた。円形の搾孔部207cはLED100の両対角線C1,C2上に中心を置いて設けた。
【0025】
LED100の一辺の長さ(=Q)は260μmとし、また、台座電極209の直径は110μmとしたため、台座電極の射影領域209aを除いた開放発光領域206aの表面積は約5.8×10-4cm2となった。また、上記の第1及び第2の円弧状搾孔部207a、207bと円形の搾孔部207cとの合計の面積は約2.4×10-4cm2である。従って、開放発光領域206aの表面積に占める搾孔部の平面積の割合は約41.3%となった。また素子平面上における導電性電極207と台座電極209の底部とを除く部分の、素子平面全体に対する比率は約50%となった。
【0026】
次に、導電性電極207を配置した上部クラッド層206の表面上に、一般のマグネトロンスパッタリング法により透明窓層208とする酸化インジウム・錫(ITO)膜を被着させた。ITO層の比抵抗は約5×10-4Ω・cmであり、層厚は約600nmとした。次に、窓層208上の全面に一般的な有機フォトレジスト材料を塗布した後、台座電極209を設けるべき領域を、公知のフォトリソグラフィー技術を利用してパターニングした。然る後、パターニングされたレジスト材料を残置させたままで、全面に金(Au)膜を真空蒸着法により被着させた。金(Au)膜の厚さは約700nmとした。その後、周知のリフト−オフ(lift−off)手段に依り、レジスト材料を剥離するに併せて台座電極209の形成予定領域に限定してAu膜を残留させた。これより、直径を約110μmとする円形の台座電極209を形成した。台座電極209の底面積は約0.95×10-4cm2となった。また導電性電極207の合計面積の、台座電極の底面積に対する比率は約358%となった。
【0027】
p形GaAs単結晶基板201の裏面に金・亜鉛(Au・Zn)合金からなるp形導電性電極210を形成した後、通常のスクライブ法により積層構造体(ウェハ)1Aを裁断して個別に細分化し、LEDチップ100となした。チップ(個別素子)100は一辺の長さ(=Q)を260μmとする正方形とした。p形導電性電極210と台座電極209を介してn形の導電性電極207間に順方向に電流を通流して、開放発光領域206aを通して波長を約620nmとする赤橙色の発光を得た。発光スペクトルの半値幅は約20nmであり、単色性に優れる発光であった。20ミリアンペア(mA)の電流を通流した際の順方向電圧(Vf:@20mA)は、網状金属膜からなる導電性電極207の良好なオーミック特性を反映して約2.1ボルト(V)となった。また、導電性電極207を搾孔部を有する網状の金属膜から構成したことに依り、チップ100の周縁100bの領域に於いても発光が認められ、視感度補正をした状態で簡易的に測定される発光の強度は約74ミリカンデラ(mcd)であった。更に、本実施例のAlGaInP系LED100では、近視野発光パターンの観点からしても開放発光面206aに於ける発光強度の分布は、網状導電性電極207に依る動作電流の均一な分配の効果により均等となった。
【0028】
(実施例2)
本実施例では、菱形に搾孔されたメッシュ(mesh)状の導電性電極を備えた窒化ガリウム(GaN)系LEDを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。図13にGaN系LED200の平面模式図を示す。また、図14に、図13のLED200の破線B−B’に沿った断面模式図を示す。
【0029】
硼素(元素記号:B)ドープp形(001)珪素(Si)単結晶円形基板301上に、亜鉛(Zn)ドープp形リン化硼素(BP)低温緩衝層302、Znドープp形BP高温緩衝層303、マグネシウム(Mg)をドーピングしたp形GaNからなる下部クラッド層304、平均的なインジウム(In)組成比を0.10とし、インジウム組成を互いに相違する複数の相(phase)からなる多相構造のn形Ga0.90In0.10N発光層305、アルミニウム(Al)組成比を0.15とした、珪素(Si)ドープn形Al0.15Ga0.85からなる上部クラッド層306、及びSiドープn形GaNからなるコンタクト層307を順次、積層してGaN系LED200用途の積層構造体3Aを形成した。
【0030】
BP緩衝層302、303はトリエチル硼素(化学式:(C2H5)3B)及びフォスフィン(PH3)を原料とする減圧MOCVD法により成膜した。BP低温緩衝層302は400℃で成膜し、層厚は約10nmとした。BP高温緩衝層303は1030℃で成膜し、層厚は約1μmとした。キャリア濃度は約2×1018cm-3とした。亜鉛のドーピング源にはジエチル亜鉛(化学式:(C2H5)2Zn)を使用した。
【0031】
積層構造体3Aを構成するその他の各構成層304〜307はトリメチルアルミニウム((CH3)3Al)、トリメチルガリウム((CH3)3Ga)及びトリメチルインジウム((CH3)3In)をIII族構成元素の原料とし、アンモニア(NH3)をV族原料とする常圧MOCVD法により成膜した。マグネシウム(Mg)のドーピング源にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム(bis−(C5H5)2Mg)を利用した。Siのドーパント源にはジシラン(Si2H6)を使用した。各構成層304〜307の成膜温度は1030℃に統一した。下部クラッド層304のキャリア濃度は約3×1018cm-3に、また、層厚は約2μmとした。発光層305の層厚は約100nmとし、キャリア濃度は約1×1017cm-3とした。n形Al0.10Ga0.90N層からなる上部クラッド層306のキャリア濃度は3×1017cm-3とし、また、層厚は約10nmとした。n形GaNコンタクト層307のキャリア濃度は約2×1018cm-3とし、その層厚は約100nmとした。
【0032】
n形GaNコンタクト層307の表面の全面に、一般的な真空蒸着法により膜厚を約8nmとする金(Au)膜を被着させた。次に、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用して、Au膜に図13に示す如くの長方形の搾孔部308a、308bを形成した。長方形の搾孔部308aは、その長辺をLEDチップ200の中心線C1に平行にして、また、中心線C1と線対称となる合計2箇所に設けた。搾孔部308aをなす長方形の大きさは長辺を120μmとし、短辺を50μmとした。別の長方形の搾孔部308bは長辺を中心線C2に平行にして、また、中心線C2に対して線対称となる位置に合計2箇所に設けた。長方形の搾孔部308bは長辺を260μmとし、短辺の長さを50μmとした。台座電極の射影領域310aの外縁と長方形の搾孔部308a、308bとの最短の間隔は20μmとした。また、長方形の搾孔部308a、308bとLEDの外縁200bとの距離は20μmとした。
【0033】
次に、n形GaNコンタクト層307上に長方形の搾孔部308a、308bを有する網状の導電性電極308を残置させたままで、一般のマグネトロンスパッタリング法により透明窓層309とする酸化インジウム・錫(ITO)膜を被着させた。ITO層の比抵抗は約4×10-4Ω・cmであり、層厚は約430nmとした。窓層309の全面に、一般的な有機フォトレジスト材料を塗布した後、台座電極310を設けるべき領域を、公知のフォトリソグラフィー技術を利用してパターニングした。然る後、パターニングされたレジスト材料を残置させたままで、全面にチタン(Ti)膜を電子ビーム真空蒸着法により被着させた。Ti膜の厚さは約500nmとした。その後、レジスト材料を剥離するに併せて、周知のリフト−オフ(lift−off)手段に依り台座電極310の形成予定領域に限定してTi膜を残留させた。これより、直径を約120μmとする円形の台座電極310を形成した。
【0034】
本実施例では、LED200のチップサイズ(=Q)を300μmとしたことから、台座電極310の平面積(約1.1×10-4cm2)を除く開放発光領域の表面積は約7.9×10-4cm2となった。一方、長方形の搾孔部308a、308bの合計の平面積は3.8×10-4cm2であり、従って、開放発光領域307aの表面積に占める長方形の搾孔部の、合計の平面積の割合は約48.1%となった。また素子平面上における導電性電極308と台座電極310の底部とを除く部分の、素子平面全体に対する比率は約42%、素子平面上における導電性電極308の合計面積の、台座電極の底面積に対する比率は約373%となった。
【0035】
p形Si単結晶基板301の裏面にアルミニウム(Al)からなるp形導電性電極311を形成した後、通常のスクライブ法により積層構造体(ウェハ)3Aを裁断して個別に細分化し、LEDチップ200となした。チップ(個別素子)200は一辺を300μmとする正方形とした。p形導電性電極311及び台座電極310間に順方向に電流を通流したところ、開放発光領域307aを通して波長を約440nmとする青色光が出射された。網状の導電性電極308を配置した効果に依り、LED200の周縁200bの領域に於いても略一様な強度発光が認められ、チップ状態で測定した発光の強度は約1.1カンデラ(cd)であった。20ミリアンペア(mA)の電流を通流した際の順方向電圧(Vf:@20mA)は、導電性電極308の良好なオーミック特性を反映して約3.8ボルト(V)となった。
【0036】
【発明の効果】
本発明に依れば、台座電極と窓層を備えた半導体LEDにあって、窓層と高い接合障壁を形成する半導体層の開放発光領域に搾孔部を有する網状の電極を設ける構成としたので、開放発光領域の平面積を徒に減少させることなく、且つ台座電極から供給されるLED駆動電流が窓層より導電性電極を介して流通できるため、LED駆動電流が開放発光領域に略均等に拡散され、発光強度の分布が均一で且つ高発光強度の半導体LEDが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わるLEDの平面構造を示す平面模式図である。
【図2】図1に示すLEDの破線X−Yに沿った断面模式図である。
【図3】本発明の第11の実施形態に係わる導電性電極を備えたLEDの平面模式図である。
【図4】本発明の第12の実施形態に係わる導電性電極を備えたLEDの平面模式図である。
【図5】本発明の第13の実施形態に係わる導電性電極を備えたLEDの平面模式図である。
【図6】本発明の第14の実施形態に係わる導電性電極を備えたLEDの平面模式図である。
【図7】本発明の第14の実施形態に係わる導電性電極を備えた別のLEDの平面模式図である。
【図8】本発明の第15の実施形態に係わる導電性電極を備えたLEDの平面模式図である。
【図9】本発明の第15の実施形態に係わる導電性電極を備えた別のLEDの平面模式図である。
【図10】本発明の第15の実施形態に係わる導電性電極を備えたまた別のLEDの平面模式図である。
【図11】本発明の実施例1に記載のLEDの平面模式図である。
【図12】図11のLEDの破線A−A’に沿った断面模式図である。
【図13】本発明の実施例2に記載のLEDの平面模式図である。
【図14】図13のLEDの破線B−B’に沿った断面模式図である。
【符号の説明】
1A 積層構造体
2A 積層構造体
10 III−V族化合物半導体LED
10a pn接合型ダブルヘテロ接合発光部
10b LEDチップの外縁
20 III−V族化合物半導体LED
30 III−V族化合物半導体LED
40 III−V族化合物半導体LED
50 III−V族化合物半導体LED
60 III−V族化合物半導体LED
70 III−V族化合物半導体LED
80 III−V族化合物半導体LED
90 III−V族化合物半導体LED
100 AlGaInP系LED
100b LEDの外縁
101 単結晶基板
102 緩衝層
103 ブラッグ反射層
104 下部クラッド層
105 発光層
106 上部クラッド層
106a 開放発光領域
107 導電性電極
108 窓層
109 台座電極
109a 台座電極の射影領域
110 導電性電極
111 円形の搾孔部
112 楕円形の搾孔部
113 方形の搾孔部
114 六角形の搾孔部
115 帯状の搾孔部
d 隣接する導電性電極間の間隔
C1 LEDチップの中心線
C2 LEDチップの中心線
L1 LEDチップの対角線
L2 LEDチップの対角線
M LEDチップ(台座電極)の中心点
Q LEDチップのサイズ
R 台座電極の平面形状の中心点Mより導電性電極の形状中心に至る距離
200 GaInN系LED
200b LEDの外縁
201 p形GaAs単結晶基板
202 p形GaAs緩衝層
203 ブラッグ反射層
204 AlGaInP系下部クラッド層
205 AlGaInP系発光層
206 AlGaInP系上部クラッド層
206a 開放発光領域
207 導電性電極
207a 第1の円弧状搾孔部
207b 第2の円弧状搾後部
207c 円形の搾孔部
208 導電性透明酸化物窓層
209 台座電極
209a 台座電極の射影領域
210 p形導電性電極
301 p形Si単結晶基板
302 p形BP低温緩衝層
303 p形BP高温緩衝層
304 p形GaN下部クラッド層
305 GaInN発光層
306 n形AlGaN上部クラッド層
307 n形GaNコンタクト層
307a 開放発光領域
308 網状導電性電極
308a 長方形の搾孔部
308b 長方形の搾孔部
309 導電性透明酸化物窓層
310 台座電極
310a 台座電極の射影領域
311 基板裏面側導電性電極
Claims (19)
- 発光層、窓層、結線用台座電極、及び網目状の導電性電極を有する半導体発光ダイオードにおいて、窓層が導電性の透明酸化物を含む層からなり、台座電極が、その導電性の酸化物を含む層からなる窓層の表面の中央に設けられ、網目状の導電性電極は搾孔され、半導体層が露呈する開口部を有する金属からなり、かつ台座電極の全面が窓層上にあり、該導電性電極が、台座電極を設けた窓層の表面とは反対側の窓層の底部の、上記台座電極の射影領域以外の領域のみの平面領域に、窓層に埋没されて設けられていることを特徴とする半導体発光ダイオード。
- 素子の平面形状が、一辺の長さを150〜500μmとした略正方形であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極が、素子平面における台座電極の射影領域以外の略全面に敷設されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の素子平面における形状が、台座電極の射影領域の中心点について点対称となっていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の素子平面における形状が、台座電極の射影領域の中心点を通る線について線対称となっていることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 発光層がIII−V族化合物半導体から形成されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の素子平面上における面積の合計が、台座電極の底面積の、10〜500%の範囲内であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の発光ダイオード。
- 素子平面上において、網目状の導電性電極と台座電極の底部とを除く部分の面積が、素子平面全体に対する面積の比率で30〜95%の範囲であることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の素子平面における形状が、直径5〜200μmの範囲で円形に搾孔された領域を含むことを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の素子平面における形状が、長径5〜200μmの範囲で楕円形に搾孔された領域を含むことを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の素子平面における形状が、一辺の長さが5〜200μmの範囲で方形に搾孔された領域を含むことを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の素子平面における形状が、一辺の長さが5〜200μmの範囲で多角形に搾孔された領域を含むことを特徴とする請求項1〜11の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の素子平面における形状が、幅が5〜100μmの範囲で帯状に搾孔された領域を含むことを特徴とする請求項1〜12の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の開口部以外は、互いに連結され、電気的に導通していることを特徴とする請求項1〜13の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の厚さが、5nm〜600nmの範囲内であることを特徴とする請求項1〜14の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極の厚さが、5nm〜30nmの範囲内であることを特徴とする請求項1〜15の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極が、金合金から構成された層を含むことを特徴とする請求項1〜16の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 網目状の導電性電極が、コンタクト層上に設けられていることを特徴とする請求項1〜17の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
- 発光層を、砒化アルミニウム・ガリウム(組成式AlXGa1-XAs:0≦X≦1)、砒化リン化ガリウム(組成式:GaAs1-XPX)、(AlXGa1-X)YIn1-YP、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム(組成式AlXGaYIn1-X-YN:0≦X,Y≦1、X+Y=1)からなる群から選ばれる何れかの化合物で構成することを特徴とする請求項1〜18の何れか1項に記載の半導体発光ダイオード。
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