(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にｐ型及びｎ型に積層された少なくともＧａを含む窒化物半導体を有する発光素子であって、前記ｐ型及びｎ型に積層された少なくともＧａを含む電気的に複数分離された島状の窒化物半導体層は、前記基板の外周状に互いに隣り合って配置されてなり、前記島状の窒化物半導体層の電極は、それぞれ電気的に直列及び／又は並列に接続され、前記基板上の外周に沿って前記ｐ型及びｎ型の台座電極が設けられている、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｐ型及びｎ型の台座電極は対向する隅部に設けられている、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体を利用した発光素子に関わり、特に発光効率を高めより高輝度に発光可能な窒化物半導体発光素子を提供するものである。
【０００２】
【従来技術】
今日、窒化物半導体を利用した発光素子はそのバンドギャップによって紫外域から赤色領域までが効率よく発光可能な発光素子として注目されている。このような窒化物半導体を用いた発光素子４００の一例を図４に示す。図４にはサファイア基板上にＧａＮのバッファ層を介してｎ型ＧａＮを利用したｎ型コンタクト層、多重量子井戸構造とされるＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを複数層積層させた発光層、ｐ型ＡｌＧａＮのクラッド層、ｐ型ＧａＮのｐ型コンタクト層及びｐ型コンタクト層からなる窒化物半導体層４０１が形成されＬＥＤチップである発光ダイオードを構成している。ｎ型コンタクト層の一部は露出されｎ型電極４０２が又透光性電極４０３上にはｐ型電極４０４が積層されている。ｎ型及びｐ型電極に電流を流すことにより、ＬＥＤチップから所望の発光スペクトルを効率よく放出させることができる。
【０００３】
しかしながら、窒化物半導体を利用した発光素子の利用分野が広がるにつれて、より発光輝度が高く、且つ消費電力の低い発光効率の優れた発光素子が要望されている。特に、窒化物半導体を利用した発光素子はその半導体特性が十分解明されていないことから、発光素子の効率向上が極めて難しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、上記発光素子の構成では十分ではなく、本発明は更なる発光効率向上が可能な窒化物半導体を利用した発光素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上にｐ型及びｎ型に積層された少なくともＧａを含む窒化物半導体を有する発光素子であって、ｐ型及びｎ型に積層された少なくともＧａを含む電気的に複数分離された島状の窒化物半導体層は、基板の外周状に互いに隣り合って配置されてなり、島状の窒化物半導体層の電極は、それぞれ電気的に直列及び／又は並列に接続され、基板上の外周に沿ってｐ型及びｎ型の台座電極が設けられている、窒化物半導体発光素子である。これによって、より発光輝度が高く、且つ消費電力の低い発光効率の優れた発光素子とすることができる。また中心光度を向上させることができる。
【０００６】
本発明の請求項２に記載の窒化物半導体発光素子は、上記ｐ型及びｎ型の台座電極は対向する隅部に設けられている、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子である。これにより島状に分離した窒化物半導体層から均一に発光することができる。
【０００７】
本発明に記載の窒化物半導体発光素子は、導電性ワイヤがそれぞれ電気的に分離された個々の窒化物半導体層の電極をボールボンディングを用いて順次結線することもできる。ウエッジボンダーを用いて結線されたものと比べステッチボンドと同等の結線を行うことができる。したがって、成膜基板上に形成された各窒化物半導体の配置や方向性に関係なくボンディングすることが可能となる。これにより異種混合されたパターンでのボンディング可能化・ボンディング時間の短縮・電極接合強度の向上を図ることができる。
本発明に記載の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体層の少なくとも一部の電極が、ステッチボンディングされたワイヤ上に、ボールボンディングされ隣接する窒化物半導体層の電極と電気的に接続することもできる。これによって、ステッチボンディング上にボールボンディングをする場合においても、同一成膜基板上であるため信頼性よく比較的強固に密着することができる。また、小型化時においても量産性よく窒化物半導体を形成させることができる。これによって、より発光効率を高めた窒化物半導体発光素子とすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は種々の実験の結果、窒化物半導体発光素子から放出される光は同一電圧を印可したときに発光する発光強度はその面積の大きさに比例しないことを見出し本発明をなすに至った。さらに、このような発光素子における結線がで量産性や信頼性が大きく変わることを見出し本発明を成すにいたった。
【０００９】
すなわち、窒化物半導体発光素子においては同一電流を流した場合、発光素子を大きくすればするほど、その発光面積の増大に伴って発光輝度が高くなるものではない。むしろ発光効率が低下する傾向にある。そのため、本発明は複数の窒化物半導体を直列接続させた発光素子とすることにより、同一発光面積の単一発光素子よりも発光効率の優れた発光素子としうるものである。なお、本発明による発光効率向上は不明であるが窒化物半導体自体の抵抗が高く、欠陥が多いことに起因していると考えられる。次に、発光効率を向上させるために、同一成膜基板上を複数の窒化物半導体を積層させ、それぞれの電極を導電性ワイヤを用いて電気的に接続させた場合、直並列接続の組合せによっては極めて狭い箇所に方向性なく強固にワイヤを密着させる必要がある。このような場合、ボールボンディングを利用し、ステッチボンディング上には再びボールを形成させることで安定性よく密着性を向上させることができる。特に、本発明のごときく極めて狭い空間でもワイヤボンディングさせる場合は、同一成膜基板にステッチボンド及びボールボンドを続けて行っても安定して密着性よく形成することができる。
【００１０】
以下、本発明の窒化物半導体発光素子について図1を用いて説明する。図１は本発明の窒化物半導体発光素子を示した模式的平面図であり、図２は図１のＡＡ断面図である。略矩形状のサファイア基板１０５上に複数の島状に分離した窒化物半導体層１０１が形成されている。島状に分離した窒化物半導体層１０１はそれぞれがサファイア基板１０５上に、ＧａＮを用いたバッファ層２０１、ｎ型コンタクト層となるＧａＮ２０２、ＩｎＧａＮとＧａＮとを複数組積層させた量子井戸構造とされる発光層２０３、ｐ型クラッド層となるＡｌＧａＮ２０４、ｐ型コンタクト層となるＧａＮ２０５が順次積層されている。ｐ型コンタクト層上にはほぼ全面に透光性電極２０６及びその上にｐ型台座電極２０７が設けられている。他方、エッチングにより矩形状窒化物半導体の一部を部分的に除去してｎ型コンタクト層を露出させてある。なお、ｎ型コンタクト層の露出とサファイア基板上に各窒化物半導体を島状に分離させることをエッチングにより同時に行うこともできる。ｎ型コンタクト層上にはｎ型の台座電極が形成されており、平面状から見てｐ型台座電極とｎ型台座電極とが矩形形状の対向する隅部に配置されている。また、島状に分離された各ｐ型及びｎ型の台座電極は、サファイア基板の外周状に沿って隣り合う島状の窒化物半導体と近接して配置されている。少なくとも一箇所のｐ型及びｎ型台座電極間は金線を利用してダイボンド接続され直列接続されている。台座電極間が近接して配置されているために、金線の使用量が極めて少なくてすむ。また、対向する隅部に各ｐ型及びｎ型の台座電極が設けられていることにより、島状に分離した窒化物半導体層から均一に発光することができる。さらに、サファイア基板の外周に沿ってｐ型及びｎ型の台座電極が設けられていることにより、窒化物半導体発光素子の中心光度を向上させることができる。そのため、このような発光素子をレンズ効果のあるモールド部材で被覆させるときには光学設計を極めて簡単に行うことができる。なお、各島状の窒化物半導体層を電気的に絶縁するために絶縁性保護膜２０８を形成してもよい。
【００１１】
図中では４個の島状に分離させたｐ型及びｎ型がそれぞれ積層された窒化物半導体を金線で３箇所直列に接続させてある。金線にて接続させていない隣接する窒化物半導体層上のｐ型及びｎ型の台座電極は、窒化物半導体発光素子のｐ電極及びｎ電極として機能することとなる。各ワイヤー１０３は、窒化物半導体層の一方の電極上でボールボンディングし第一のボール部１０２を形成した後、隣接する窒化物半導体層の電極とステッチボンディングする。このステッチチボンディング部にはこの上から更にボールボンディングを行い第二のボール部１０４を形成させるる。以下、本発明の窒化物半導体発光素子の具体的形成方法について説明するがこれのみに限られないことはいうまでもない。
【００１２】
【実施例】
あらかじめ、酸で表面を洗浄させた２インチのサファイア基板（α−アルミナ基板）をＭＯＣＶＤ法を利用する反応装置内に配置させる。真空排気後、１０００℃にまで上げクリーニングを行う。続いて、水素ガスを流しながら大気圧とさせる。次に、成膜温度を５３０℃に下げ反応装置内に、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、窒素ガスをキャリアガスとして水素ガスと共に流し、厚さ約２００ÅのＧａＮ層を成膜させる。なお、バッファ層は窒化物半導体と基板との格子不整合を緩和させるために設けられるものであり、ＧａＮの他、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮなどを好適に利用することができる。また、基板はサファイアの他、スピネル、ルビーなど種々のものを利用することができる。
【００１３】
次に、一旦キャリアガスのみとした後に成膜温度を１０５０℃に上げる。成膜温度が一定となった後に原料ガスとしてＴＭＧガス、窒素ガス、ドーパントガスとしてシランガス、キャリアガスとして水素ガスを流しｎ型ＧａＮであるコンタクト層兼クラッド層を成膜させる。なお、窒化物半導体は静電耐圧が他の半導体に比べて低いため、ｎ型コンタクト層をアンドープのＧａＮなどでサンドイッチさせ結晶性と耐電圧を向上させ得るように構成しても良い。
【００１４】
次に、活性層としてＧａＮとＩｎＧａＮの多層膜を形成させる。成膜温度を１０５０℃に維持したまま、原料ガスとしてＴＭＧガス、窒素ガス及びキャリアガスとして水素ガスを流してＧａＮ層を形成する。続いて、一旦キャリアガスのみとして、成膜温度を８００℃にまで低下させる。温度が一定となった後に、原料ガスとしてＴＭＧガス、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス、窒素ガスを流し、ＩｎＧａＮ層を形成させる。これを３回繰り返した後、最後に上述のアンドープＧａＮと同様の成膜条件にてＧａＮ層を成膜させる。これにより、多重量子井戸構造とされる活性層を成膜させる。発光素子の発光スペクトルは井戸層のバンドギャップに左右されるためＩｎＧａＮの他、ＡｌＧａＩｎＮやＡｌＧａＮなどとすることができる。同様に、Ｓｉなどのｎ型不純物やＭｇなどのｐ型不純物を含有させることもできる。
【００１５】
活性層成膜後、成膜温度を１０５０℃に保持して、原料ガスをＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、ＴＭＧガス、窒素ガス、ドーパントガスとしてＣｐ2Ｍｇガス及びキャリアガスとして水素ガスを流し、ｐ型クラッド層となるＡｌＧａＮ層を成膜させる。ｐ型クラッド層は結晶性を向上させためにＧａＮとＡｌＧａＮの超格子構造とさせることもできる。
【００１６】
成膜温度を維持したまま、原料ガスをＴＭＧガス、窒素ガス、ドーピングガスとしてＣｐ２Ｍｇガス及びキャリアガスとして水素ガスを流し、ｐ型コンタクト層となるＧａＮ層を成膜させることができる。
【００１７】
こうして成膜させた窒化物半導体ウエハにマスクをかけた後、エッチングにより本発明のごとく、同一成膜基板上に電気的に分離され且つ、ｐｎ接合などを持った複数の島状半導体の窒化物半導体を個々に形成する。ｎ型電極を形成させるｎ型コンタクト層の一部及び窒化物半導体を島状に分離させマスクを除去後、再び電極形成用のマスクを形成させてスパッタリング法によりｐ型透光性電極としてＡｕを成膜させる。
【００１８】
ｐ型台座電極としてＮｉ／Ａｕ及びｎ型台座電極としてＷ／Ａｌを、あらかじめ図１のごとく配置できるようにマスクを形成してある。電極形成後、電極表面を残して、ＳｉＯ2により保護膜を形成させる。
【００１９】
続いて島状に分離した４個の窒化物半導体をひとまとめにして、ダイサー及びスクライバーにより分離した溝に沿ってサファイア基板を切断する。
【００２０】
次に、島状の窒化物半導体のｎ型台座電極と、隣り合う島状の窒化物半導体のｐ型台座電極とをワイヤボンディングにより電気的に直列接続させる。より具体的には、あらかじめ金線にボールを形成させた後、島状窒化物半導体のｎ型台座電極或いはｐ型台座電極にボールボンディングさせる。ボールボンディングさせた金線を延ばしつつ、隣り合う島状窒化物半導体のｐ型台座電極或いはｎ型台座電極にステッチボンディングさせ隣り合う島状窒化物半導体を直列接続させる。続いて、成膜基板上に形成された窒化物半導体を固定させるワークを回転させることなく、一度ステッチボンディングさせたワイヤ上に再びボールボンディングを行う。続いて、ステッチボンディング上にボールボンディングさせた金線を延ばしつつ、次に隣り合う隣り合う島状窒化物半導体のｐ型台座電極或いはｎ型台座電極にステッチボンディングさせ隣り合う島状窒化物半導体を電気的に直列接続させる。なお、窒化物半導体の大きさが極めて小さい場合、ボールボンディングをｎ型及びｐ型台座電極に直接押しつけることによって一度に直列接続させることもできる。
【００２１】
同一の発光面積を持った単一窒化物半導体発光素子に比べて、同一成膜基板上に形成させた複数の窒化物半導体からなる窒化物半導体発光素子の方が発光効率が高い。そのために直列接続のみに限らず、並列接続或いは直並列接続した本発明の窒化物半導体発光素子とさせることもできる。また、各島状窒化物半導体を集中して配置させることもできるし、図３のごとく、直線上に配置させることもできる。サファイア基板３０５上に形成させた島状の窒化物半導体素子３０１を図３（Ａ）に示すようにワイヤー３０３で直列接続させる場合、各島状窒化物半導体に抵抗を少なく電流を流す必要があることからボワイヤボンディングにより直列接続させることが好ましい。特に、ボールボンディングさせた第一のボール部３０２の他方に形成されるステッチボンディング上には再びボールとして第二のボール部３０４を形成することが好ましい。同様に図３（Ｂ）に示すごとく並列接続させることもできる。
【００２２】
島状窒化物半導体の個々の大きさが約１５０μｍ角として上述の窒化物半導体発光素子を形成させる。また、本発明と比較のために発光面積がほぼ同様とさせ、一つの窒化物半導体を積層させた以外は同様にして約６００μｍ角の窒化物半導体発光素子を形成させる。本発明の窒化物半導体発光素子の発光強度を１００として比較したところ、比較のための発光素子は８２％にしかすぎなかった。本発明の窒化物半導体は一つの窒化物半導体に比較して発光効率が優れていることが分かったが、島状窒化物半導体の個々の大きさがそれぞれ約８０μｍより大きく、約３００μｍ未満において、より量産性を満たしつつ効率を向上させることができる。したがって、より発光面積の大きい窒化物半導体を高輝度に発光させるためには、個々に分割させた窒化物半導体を直列に接続させた窒化物半導体とすることが好ましい。なお、図においては、正方形の窒化物半導体素子のみを示したが、サファイア基板の分離しやすさのために菱形やフリップチップ実装を考慮した長方形としたものにも応用できる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体発光素子とすることによって、大面積においても効率よく発光可能な窒化物半導体発光素子とすることができる。また、ウエッジボンダーでのステッチボンドではできなかった方向性なくボンディングすることが可能となる。したがって、異種混合されたパターンでのボンディグ可能化・ボンディグ時間の短縮・電極接合強度の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の窒化物半導体発光素子の模式的平面図である。
【図２】  図１のＡＡ断面における模式的断面図である。
【図３】  図３（Ａ）は直列接続させた本発明の別の窒化物半導体発光素子の模式的平面図であり、図３（Ｂ）は、並列接続させた本発明の窒化物半導体発光素子の模式的平面図である。
【図４】  本発明と比較のために示す窒化物半導体発光素子の模式的平面図である。
【符号の説明】
１００…本発明の窒化物半導体発光素子
１０１…同一成膜基板上に形成された個々の島状窒化物半導体
１０２…第一のボール部
１０３…ワイヤー
１０４…スッテチボンディグ上に形成された第二のボール部
１０５…サファイア基板
２０１…バッファ層
２０２…ｎ型コンタクト層
２０３…多重量子井戸構造とされる活性層
２０４…ｐ型クラッド層
２０５…ｐ型コンタクト層
２０６…透光性電極
２０７…ｐ型台座電極
２０８…絶縁性保護膜
３００…直列接続された本発明の窒化物半導体発光素子
３０1…同一成膜基板上に形成された個々の島状窒化物半導体
３０２…ワイヤーのボール
３０３…ワイヤー
３０４…スッテチボンディグ上に形成されたボール
３０５…サファイア基板
３０１…並列接続された本発明の窒化物半導体発光素子
４００…本発明と比較のために示された窒化物半導体発光素子
４０１…窒化物半導体層
４０２…ｎ型電極
４０３…透光性電極
４０４…ｐ型電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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