(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含む半導体層が積層される第１の発光部と、前記基板上にまたは前記積層される半導体層の上にさらに発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含む半導体層が積層される第２の発光部とを有し、前記第１の発光部のｐ形層および前記第２の発光部のｎ形層が電気的に接続され、かつ、前記第１の発光部のｎ形層および前記第２の発光部のｐ形層が電気的に接続され、前記積層される半導体層の表面側から光を取り出す半導体発光素子であって、前記第１および第２の発光部の表面側に設けられる電極パッドは、前記第１および第２の発光部に共通して１個のみで形成されてなる半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１および第２の発光部がそれぞれ同じ半導体材料で発光層を形成し、同じ波長の光を発光する請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１および第２の発光部がそれぞれ異なる半導体材料で発光層を形成し、異なる波長の光を発光する請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１および第２の発光部の少なくとも一方の発光層を形成する半導体材料がＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体である請求項１、２または３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１および第２の発光部の積層された半導体層の表面に絶縁膜を介して配線膜が形成され、該配線膜が前記絶縁膜に設けられるコンタクト孔を介して前記第１および第２の発光部の表面側に形成されている、異なる導電形層に接続され、かつ、該配線膜と連続して前記第１および第２の発光部に共通の電極パッドが形成されてなる請求項１、２、３または４記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子に逆方向の電圧が印加されても破壊しにくい半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、交流電圧で駆動される場合でも素子が破壊せず、しかも輝度が大幅に向上する半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体発光素子は、ｐ形層とｎ形層とが直接接合するｐｎ接合、またはその間に活性層が挟持されるダブルヘテロ接合の構造になっており、ｐ形層とｎ形層との間に順方向の電圧が印加されることにより、ｐｎ接合部または活性層でキャリアが再結合して発光する。
【０００３】
このような半導体発光素子で、たとえば赤色系（赤色から黄色）の光を発光する発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップという）は、たとえば図３（ａ）に示されるような構造になっている。すなわち、ｎ形のＧａＡｓからなる半導体基板２１上に、たとえばｎ形のＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなるｎ形クラッド層（ｎ形層）２２、クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成のノンドープのＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる活性層２３、ｐ形のＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなるｐ形クラッド層（ｐ形層）２４がそれぞれエピタキシャル成長され、ダブルヘテロ接合構造の発光層形成部２９が形成されている。さらにその表面にＧａＰからなるｐ形のウィンドウ層（電流拡散層）２５が順次エピタキシャル成長され、その表面にｐ側電極（パッド）２７、半導体基板２１の裏面側にｎ側電極（パッド）２８がそれぞれＡｕ-Ｚｎ-Ｎｉ合金やＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などにより形成されることにより構成されている。
【０００４】
このようなＬＥＤチップは、図３（ｂ）に等価回路図が示されるように、ダイオード構造になっているため、逆方向の電圧が印加されても電流が流れない整流作用を利用して、直流電圧を両電極間に印加しないで交流電圧を印加することにより、交流で順方向電圧になる場合にのみ流れる電流を利用して発光させる使用方法も採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
半導体発光素子に用いられる赤色系のＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体もしくはＡｌＧａＡｓ系化合物半導体、緑色系のＧａＰ系化合物半導体、または青色系のチッ化ガリウム系化合物半導体などの化合物半導体からなる発光素子は、逆方向電圧の印加に対して耐圧が弱く破壊しやすい。そのため、半導体発光素子を交流電圧駆動すると、素子の劣化が進み、寿命が短くなったり、初期段階でも破壊する場合があり、歩留りが下がったり、信頼性が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、発光素子に逆方向の電圧が印加されても、また交流電圧で駆動する場合にも素子の破壊や劣化を抑制し、むしろ逆に交流電圧駆動により輝度が大幅に向上し得る半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含む半導体層が積層される第１の発光部と、前記基板上にまたは前記積層される半導体層の上にさらに発光層を形成すべくｎ形層およびｐ形層を含む半導体層が積層される第２の発光部とからなり、前記第１の発光部のｐ形層および前記第２の発光部のｎ形層が電気的に接続され、かつ、前記第１の発光部のｎ形層および前記第２の発光部のｐ形層が電気的に接続され、前記積層される半導体層の表面側から光を取り出す半導体発光素子であって、前記第１および第２の発光部の表面側に設けられる電極パッドは、前記第１および第２の発光部に共通して１個のみで形成されている。
【０００８】
この構成にすることにより、発光素子の両端に交流電圧が印加されても２つの発光部のうちいずれか一方の発光部は順方向の電圧になる。順方向の電圧の印加であれば電流が流れて高い電圧が印加され続けることがなく、逆方向となる発光部への逆方向電圧の印加の負担は低くなる。その結果、交流が印加されてもいずれの発光部にも逆方向の高い電圧が印加されず、素子の破壊や劣化を招かない。一方、交流の正負のいずれの位相でもどちらかの発光部が発光し、同じ交流電圧の印加に対して、従来の半サイクルごとに発光する場合に比べて倍の輝度が得られる。さらに、前記第１および第２の発光部の表面側に設けられる電極パッドが共通して設けられることにより、発光面側に設けられる電極の面積を小さくすることができ、光の遮断が少なくなり、外部に取り出すことができる光の割合である外部発光効率が向上する。
【０００９】
前記第１および第２の発光部がそれぞれ同じ半導体材料で発光層を形成し、同じ波長の光を発光するように形成されれば、同じ色の輝度の大きい発光素子が得られる。また、異なる半導体材料で発光層を形成し、異なる波長の光を発光するように形成すれば、同時に異なる波長の光を発光させたり、２色の混色を得ることができる。
【００１０】
前記第１および第２の発光部の少なくとも一方の発光層を形成する半導体材料がＡｌＧａＩｎＰ系またはＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体であれば、赤色系の可視光を含む発光素子が得られる。ここにＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体とは、（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.51Ｉｎ0.49Ｐの形で表され、ｘの値が０と１との間で種々の値のときの材料を意味する。なお、（Ａｌx Ｇａ1-x ）とＩｎの混晶比率の０.５１および０.４９はＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体が積層されるＧａＡｓなどの半導体基板と格子整合される比率であることを意味する。なお、たとえばＡｌＧａＡｓ系化合物半導体とは、ＡｌとＧａの混晶比率が種々変わり得ることを意味し、他の化合物半導体についても同様である。
【００１１】
請求項１に係る発明の具体的な構造としては、前記第１および第２の発光部の積層された半導体層の表面に絶縁膜を介して配線膜が形成され、該配線膜が前記絶縁膜に設けられるコンタクト孔を介して前記第１および第２の発光部の表面側に形成されている、異なる導電形層に接続され、かつ、該配線膜と連続して前記第１および第２の発光部に共通の電極パッドが形成される構造にすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【００１３】
本発明の半導体発光素子は、その一実施形態の断面説明図が図１（ａ）に示されるように、同一の半導体基板１上に第１の発光部１６と第２の発光部１７とが形成され、第１の発光部１６を形成するｐ形層（ｐ形ウインドウ層６またはｐ形クラッド層４）およびｎ形層（ｎ形クラッド層２またはｎ形基板１）がそれぞれ第２の発光部１７のｎ形層（ｎ形コンタクト層１１またはｎ形クラッド層９）およびｐ形層（ｐ形クラッド層７またはｐ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層６ａ）と電気的に接続されている。図１（ａ）に示される例では、それぞれの発光部に独立してｐ側とｎ側の電極１２、１３および１４、１５がそれぞれ設けられ、第１の発光部１６のｐ側電極１２と第２の発光部１７のｎ側電極１５、および第１の発光部１６のｎ側電極１３と第２の発光部１７のｐ側電極１４とがそれぞれ電気的に接続されている。その結果、図１（ｂ）に等価回路図が示されるように、２つの発光部１６、１７のダイオード特性が逆向きに並列接続され、その両端に電極端子１８、１９が設けられる構造になっている。
【００１４】
第１の発光部１６は、ｎ形ＧａＡｓ基板１上にｎ形ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｎ形クラッド層（ｎ形層）２と、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーの小さい組成のノンドープのＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる活性層３と、ｎ形クラッド層と同じ組成のｐ形ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層（ｐ形層）４からなる発光層形成部５が積層され、その表面にＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなるｐ形ウインドウ層６が設けられ、その表面にｐ側電極１２が、ＧａＡｓ基板１の裏面にｎ側電極１３が、それぞれＡｕ-Ｔｉ合金またはＡｕ-Ｚｎ-Ｎｉ合金やＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などにより設けられることにより形成されている。
【００１５】
第２の発光部１７は、第１の発光部の各半導体層が積層された表面のｐ形ＡｌＧａＡｓ系半導体層６ａ上に、さらに第１の発光部１６と同じ材料で、ｐ形ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層（ｐ形層）７、該クラッド層よりバンドギャップエネルギーの小さい組成のノンドープのＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなる活性層８、およびｎ形ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体からなるｎ形クラッド層（ｎ形層）９、からなる発光層形成部１０が積層され、その表面にｎ形ＧａＡｓからなるコンタクト層１１が設けられ、その表面にｎ側電極１５がＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金により、積層された半導体層７〜１１の一部がエッチングされて露出するｐ形ＡｌＧａＡｓ層６ａにｐ側電極１４がそれぞれＡｕ-Ｔｉ合金またはＡｕ-Ｚｎ-Ｎｉ合金などにより設けられることにより形成されている。
【００１６】
第１の発光部１６のための発光層形成部５およびウインドウ層６は、第１の発光部１６と第２の発光部１７との間の分離溝２０により分離され、同じｐ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層のウインドウ層６に第１の発光部１６のｐ側電極１２が設けられ、第２の発光部１７側のｐ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層６ａに第２の発光部１７のｐ側電極１４が設けられている。そして、両発光部１６、１７のｐ側電極とｎ側電極１２と１５および１４と１３がそれぞれ電気的に接続されている。この電気的接続は、金線などのワイヤによる外部での接続や、表面に設けられる配線膜によりなされる。
【００１７】
本発明によれば、同一の基板１上に第１の発光部１６と第２の発光部１７が設けられており、それぞれの発光部の順方向特性が逆になるように（両発光部のｐ形層とｎ形層とがそれぞれ電気的に接続されるように）並列接続されている。そのため、交流電圧が印加されると２つの発光部のうちいずれか一方は、常に順方向になり、常にどちらかの発光部に電流が流れて発光する。そのため、発光部に印加される逆方向電圧による負担は少なく、外部からのサージ電圧または交流電圧の印加による逆方向電圧による破壊または劣化が生じない。一方、交流電圧の印加により駆動する場合、半サイクルごとに正負が反転するが、いずれの位相でもどちらかの発光部が発光し、両発光部の発光波長が同じであれば、従来の発光素子に交流電圧を印加して発光させる場合に比べて倍の輝度で発光する。その結果、破壊しにくく信頼性が高いと共に、輝度の大きな半導体発光素子が得られる。
【００１８】
このような半導体発光素子の製法を具体例により説明する。まず、たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ｎ形のＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（以下、ＴＥＧという）またはトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎという）、およびホスフィン（以下、ＰＨ3 という）と、ＳｅのドーパントガスであるＨ2 Ｓｅとをキャリアガスの水素（Ｈ2 ）と共に導入し、たとえば（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ形クラッド層２を０.５μｍ程度、反応ガスのＴＭＡを減らしてＴＥＧまたはＴＭＧを増やし、たとえばノンドープの（Ａｌ0.25Ｇａ0.75）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる活性層３を０.５μｍ程度、ｎ形クラッド層３と同様の反応ガスで、Ｈ2 Ｓｅの代わりに、Ｚｎのドーパントガスとしてのジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を導入して（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｐ形クラッド層４を０.５μｍ程度エピタキシャル成長し、発光層形成部５を形成する。さらに、反応ガスのＰＨ3 をアルシン（以下、ＡｓＨ3 という）に変更すると共に、ＴＭＩｎを止めて、ｐ形のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなるウインドウ層６を０.１〜２０μｍ程度成長する。
【００１９】
さらに、反応ガスのＡｓＨ3 を再度ＰＨ3 に変えると共に、ＴＭＩｎを導入し、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐ化合物半導体からなるｐ形クラッド層７を０.５μｍ程度、ドーパントガスを止めると共に反応ガスのＴＭＡを減らしてＴＥＧまたはＴＭＧを増やし、ノンドープの（Ａｌ0.25Ｇａ0.75）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる活性層８を０.５μｍ程度、ｐ形クラッド層７と同様の反応ガスで、ＤＭＺｎの代わりにＨ2 Ｓｅを導入して（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなるｎ形クラッド層９を０.５μｍ程度エピタキシャル成長し、発光層形成部１０を形成する。さらに、反応ガスをＴＥＧまたはＴＭＧとＡｓＨ3 にしてＧａＡｓからなるｎ形のコンタクト層１１を０.０５〜０.５μｍ程度形成する。
【００２０】
その後、第２の発光部１７の形成のために積層した発光層形成部１０を、第１の発光部１６の形成部および第２の発光部１７の一部の領域でエッチングして、ｐ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層６、６ａを露出させる。その後、第１の発光部１６の形成のために積層したウインドウ層６および発光層形成部５を、第１の発光部１６と第２の発光部１７とで分離するように、ｎ形クラッド層２またはＧａＡｓからなる基板１が露出するまでエッチングをし、分離溝２０を形成する。
【００２１】
その後、エッチングにより露出するウインドウ層６およびＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層６ａの表面、積層された半導体層のｎ形ＧａＡｓからなるコンタクト層１１の表面、および基板１の裏面にそれぞれＡｕ-Ｔｉ合金またはＡｕ-Ｚｎ-Ｎｉ合金などからなるｐ側電極１２、１４およびＡｕ-Ｇｅ-Ｎｉ合金などからなるｎ側電極１３、１５をそれぞれ形成し、ダイシングしてチップ化する。そして第１の発光部１６のｐ側電極１２と第２の発光部１７のｎ側電極１５とを、また第１の発光部１６のｎ側電極１３と第２の発光部１７のｐ側電極１４とを、たとえば金線などを各電極間にワイヤボンディングすることにより、それぞれ電気的に接続する。
【００２２】
図２は、両発光部１６、１７の半導体層を電気的に接続する他の例を示す平面説明図で、各半導体層がすべて積層された後に、その表面にＳｉＯ2 などの絶縁膜２１が設けられ、その上に設けられる配線膜２２により絶縁膜２１に設けられるコンタクト孔２３を介して接続されるものである。この場合、その配線膜２２に電気的に接続して電極パッド１２が設けられれば、外部回路との接続用の電極パッド１２を、両発光部で共用することができる。このようにすることにより、ワイヤボンディングをするために大きな電極パッドを各発光部の半導体層の表面に設けなくてもよいため、光を遮断する電極面積を小さくすることができて外部発光効率が向上する。
【００２３】
前述の例では、第１の発光部と第２の発光部の発光層形成部の半導体材料に同じ材料を用い、同じ波長の光を発光させ、輝度の大きい半導体発光素子としたが、第１と第２の発光部で異なる半導体材料を用い、異なる波長の光を発光させることもできる。この場合、両発光部の光を混合して混色で発光させることもできるし、それぞれ異なる側の側面から異なる波長の光を発光させることもできる。たとえば前述の図１に示される第１の発光部の半導体層の積層が終った後に、ＧａＰ層を積層することにより、第１の発光部を赤色系、第２の発光部を緑色系にすることができる。また、赤色系の発光部を形成するのにＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を用いたが、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を用いることもできる。
【００２４】
さらに前述の例では、第１の発光部と第２の発光部との間の分離溝２０をＧａＡｓ基板１に達するまで入れているが、それぞれのｐ側電極が接続されるｐ形層が分離されていればよい。
【００２５】
さらに前述の例では、第２の発光部を形成するための半導体層の積層を第１の発光部用の半導体層の上にさらに積層しているが、半導体基板上にそれぞれ部分的に選択成長をすることにより、基板上に直接別々に発光部を形成してもよい。また、基板は導電性の半導体基板が用いられているが、青色系のチッ化ガリウム系化合物半導体のように、サファイアなどの絶縁性基板上に半導体層が積層されてもよい。
【００２６】
さらに、前述の例では、各発光部の発光層形成部がｎ形層とｐ形層とにより活性層が挟持されるダブルヘテロ接合構造であるが、発光層形成部はこのような構造でなくても、ホモｐｎ接合構造などの他の構造であってもよく、また第１および第２の発光部で異なる構造の発光層形成部であってもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、２個の発光部がその順方向特性が逆になるように並列に接続されているため、交流電圧が印加されても各発光部のどちらかは常に順方向になり、他方の発光部の逆方向電圧による負担が減り、逆耐圧の低い発光素子用の半導体でも破壊したり、劣化することがない。また、交流電圧が印加されることにより、交流の正負のいずれの位相でもどちらかの発光部が常に発光する。そのため、信頼性が高く、かつ、交流電圧駆動により輝度の高い半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の平面説明図である。
【図３】従来の半導体発光素子の構造例を示す図である。
【符号の説明】
１    基板
２    ｎ形クラッド層
４    ｐ形クラッド層
５    発光層形成部
７    ｐ形クラッド層
９    ｎ形クラッド層
１０    発光層形成部
１６    第１の発光部
１７    第２の発光部
【図１】
0003691202.tif 000002
【図２】
0003691202.tif 000003
【図３】
0003691202.tif 000004