(57)【要約】【課題】  注入電流の増大に対応でき、熱による発光効率の低下を抑えて大光量の光照射を実現できるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子およびそれを用いた発光装置を提供する。【解決手段】  ＭＱＷ層１４のバリア層をＡｌＧａＮで形成し、その厚さとＡｌの添加量を最適化することで高注入電流の通電に対するキャリアオーバーフローの発生を抑えることが可能となり、発光効率を向上させることができる。また、発光効率の向上によって熱損失を抑えることができ、ＬＥＤ素子１自身が発する熱によって発光特性の低下が生じにくく、連続通電でも安定した発光特性を示すＬＥＤ素子１が得られる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、
第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、
前記第１および前記第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の間に設けられ、井戸層とＡｌを３〜６％含むバリア層からなるＭＱＷ層とを有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
第１の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、
第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、
前記第１および前記第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の間に設けられ、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＡｌを３〜６％含むＡｌＧａＮバリア層からなるＭＱＷ層とを有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ＭＱＷ層は、ＩｎＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層とを交互に所定のペア数で積層して構成される歪緩和超格子層と、ｐ−ＩｎＧａＮ層とｐ−ＡｌＧａＮ層とを交互に所定のペア数で積層して構成されるクラッド層との間に設けられる請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
第１の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、前記第１および前記第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の間に設けられ、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＡｌを３〜６％含むＡｌＧａＮバリア層からなるＭＱＷ層とを有するＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子と、
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子と同等の熱膨張率を有して構成される素子搭載基板と、
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子および前記素子搭載基板を同等の熱膨張率を有して構成されて前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子および前記素子搭載基板を封止する無機封止部とを有することを特徴とする発光装置。
【請求項５】
前記無機封止部は、低融点ガラスからなる請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子は、前記素子搭載基板にフリップ実装される構成の請求項４に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子およびそれを用いた発光装置に関し、特に、注入電流の増大に対応でき、熱による発光効率の低下を抑えて大光量の光照射を実現できるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子およびそれを用いた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子は、青系から緑系色にかけての光を放出するＬＥＤ(Light-Emitting Diode:発光ダイオード)素子として知られている。また、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子は、可視光より更に短波長の光（近紫外〜紫外）を放出するＬＥＤ素子としても用いられる。
【０００３】
近年、ＬＥＤの用途拡大に伴い、より大電流型、高出力型のＬＥＤ素子の需要が高まっている。このような要望に応えるものとして、ＬＥＤ素子を構成する井戸層およびバリア層を厚くすることによりキャリア漏れの防止、ｐ側層からのＭｇの拡散防止、キャリア閉じ込め性の向上によって発光強度の向上を図ったＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子がある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−８４０００号公報〔００１３〕
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子によると、ＬＥＤ素子を駆動する注入電流を大にしたときキャリアオーバーフローが生じて光度の向上に限界がある。また、発光に伴って生じるＬＥＤ素子自身の熱で発光効率が低下し、大光量の光を安定的に放射させることができないという問題がある。
【０００５】
従って、本発明の目的は、注入電流の増大に対応でき、熱による発光効率の低下を抑えて大光量の光照射を実現できるＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子およびそれを用いた発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、前記第１および前記第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の間に設けられ、井戸層とＡｌを３〜６％含むバリア層からなるＭＱＷ層とを有するＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子を提供する。
【０００７】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、第１の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、前記第１および前記第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の間に設けられ、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＡｌを３〜６％含むＡｌＧａＮバリア層からなるＭＱＷ層とを有するＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子を提供する。
【０００８】
上記のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子において、ＭＱＷ層は、ＩｎＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層とを交互に所定のペア数で積層して構成される歪緩和超格子層と、ｐ−ＩｎＧａＮ層とｐ−ＡｌＧａＮ層とを交互に所定のペア数で積層して構成されるクラッド層との間に設けられても良い。
【０００９】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、第１の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層と、前記第１および前記第２の導電型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層の間に設けられ、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＡｌを３〜６％含むＡｌＧａＮバリア層からなるＭＱＷ層とを有するＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子と、前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子と同等の熱膨張率を有して構成される素子搭載基板と、前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子および前記素子搭載基板を同等の熱膨張率を有して構成されて前記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子および前記素子搭載基板を封止する無機封止部とを有することを特徴とする発光装置を提供する。
【００１０】
上記の発光装置において、無機封止部は、低融点ガラスからなるものを用いることが好ましい。また、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子は、素子搭載基板にフリップ実装されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、注入電流の増大に対応でき、熱による発光効率の低下を抑えて大光量の光照射を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子の層構成を示す断面図である。
【００１３】
（ＬＥＤ素子１の構成）
このフェイスアップ型のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子１（以下、「ＬＥＤ素子１」という。）は、発光波長が４６０〜４７０ｎｍの青色光を放射する青色ＬＥＤ素子１であり、下地基板となるサファイア基板１０上に順次ＡｌＮバッファ層１１と、ｎ−ＧａＮ層１２と、歪緩和超格子層１３と、ＭＱＷ層１４と、クラッド層１５と、ｐ−−ＧａＮ層１６と、ｐ＋−ＧａＮ層１７と、コンタクト層２０とを積層して構成されており、コンタクト層２０上にはＡｕからなるパッド電極１８が形成されている。また、コンタクト層２０からｎ−ＧａＮ層１２にかけてをエッチングによって除去することにより露出させたｎ−ＧａＮ層１２にＡｌからなるｎ側電極１９が設けられている。なお、同図においては各層の構成を明確にするために実寸と異なるサイズで各部を示している。
【００１４】
歪緩和超格子層１３は、ＩｎＧａＮ層１３０と、ｎ−ＧａＮ層１３１とを交互に１０ペア積層させることによって形成されている。
【００１５】
ＭＱＷ層１４は、ＩｎＧａＮ層１４０と、ＡｌＧａＮバリア層１４１とを交互に６ペア積層させることによって形成されている。
【００１６】
クラッド層１５は、ｐ−ＩｎＧａＮ層１５０と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１５１とを交互に５．５ペア積層させることによって形成されている。
【００１７】
コンタクト層２０は、ＧａＮ系半導体化合物と略同等の熱膨張率（α＝７×１０−６／℃）と光透過性を有するＩＴＯ(Indium Tin Oxide)によって形成されており、パッド電極１８から通電される電流を拡散させてｐ＋−ＧａＮ層１７に供給する。なお、ＬＥＤ素子１がフリップ実装される場合には、ＩＴＯに代えて光反射性を有するロジウム（Ｒｈ）を用いることもできる。
【００１８】
以下に、本実施の形態のＬＥＤ素子の製造方法について説明する。
【００１９】
まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置の反応装置内へ水素ガス（Ｈ２）を流通させながらウエハー状のサファイア基板１０を１１３０℃まで昇温して表面（ａ面）をクリーニングする。その後、その基板温度においてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびアンモニア（ＮＨ３）を導入して厚さ２０〜４０ｎｍのＡｌＮバッファ層１１をＭＯＣＶＤ法で成長させる。次に、基板温度を１１３０℃に維持した状態でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、窒素ガス（Ｎ２）、Ｈ２、ＮＨ３、およびシランガス（ＳｉＨ４）を導入してｎ−ＧａＮ層１２を成長させる。
【００２０】
次に、ｎ−ＧａＮ層１２上に歪緩和超格子層１３を形成する。歪緩和超格子層１３は、まず、反応装置内温度を８００℃としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧ、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、およびＳｉＨ４を導入し、厚さ２０〜５０ÅのＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０６≦ｘ≦０．１４）１３０を形成する。次に、温度を８５０℃に昇温してＴＭＧ、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、およびＳｉＨ４を導入し、厚さ３０〜６０Åのｎ−ＧａＮ層１３１を形成する。この工程を繰り返してＩｎＧａＮ層１３０およびｎ−ＧａＮ層１３１を１０ペア積層する。
【００２１】
次に、歪緩和超格子層１３上にＭＱＷ層１４を形成する。ＭＱＷ層１４は、まず、反応装置内温度を７７０℃としてＴＭＧ、ＴＭＩ、Ｎ２、Ｈ２、およびＮＨ３を導入し、厚さ２０〜４０ÅのＩｎＧａＮ層１４０を形成する。次に、温度を８８０℃としてＴＭＡ、ＴＭＧ、Ｎ２、Ｈ２、およびＮＨ３を導入し、厚さ２０〜８０ÅのＡｌ０．５Ｇａ０．９５Ｎバリア層１４１を形成する。この工程を繰り返してＩｎＧａＮ層１４０およびＡｌＧａＮバリア層１４１を６ペア積層する。
【００２２】
次に、ＭＱＷ層１４上に超格子状のクラッド層１５を形成する。クラッド層１５は、まず、ＴＭＩ、ＴＭＧ、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、およびシクロペンタジニエルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を導入し、厚さ２０〜８０Åのｐ−ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．０５≦ｘ≦０．１２）１５０を形成する。次に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、およびＣｐ２Ｍｇを導入し、厚さ２０〜４０Åのｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０．２５≦ｘ≦０．４０）１５１を形成する。この工程を繰り返してｐ−ＩｎＧａＮ層１５０およびｐ−ＡｌＧａＮ層１５１を５．５ペア積層する。
【００２３】
次に、クラッド層１５上にｐ−−ＧａＮ層１６を形成する。ｐ−−ＧａＮ層１６は、反応装置内温度を１０００℃としてＴＭＧ、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、およびＣｐ２Ｍｇを導入し、厚さ８００Åのｐ−−ＧａＮ層１６を形成する。
【００２４】
次に、ｐ−−ＧａＮ層１６上にｐ＋−ＧａＮ層１７を形成する。ｐ＋−ＧａＮ層１７は、反応装置内温度を１０００℃としてＴＭＧ、Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３、およびＣｐ２Ｍｇを導入し、厚さ３００Åのｐ＋−ＧａＮ層１７を形成する。
【００２５】
このようにして形成されたＧａＮ系半導体層の表面にＩＴＯからなるコンタクト層２０を形成し、コンタクト層２０からｎ−ＧａＮ層１２にかけてをウエットエッチングによって除去することによりｎ−ＧａＮ層１２を露出させる。次に、露出したｎ−ＧａＮ層１２上にＡｌからなるｎ側電極１９を形成する。次に、コンタクト層２０の表面にＡｕからなるパッド電極１８を形成する。次に、ダイシングソーで所定のサイズのＬＥＤ素子１にカットする。なお、ウエハーのカットはダイシングソーによるものに限定されず、スクライブ等の他の切断方法で行っても良い。
【００２６】
図２は、図１に示すＡｌＧａＮバリア層を有するＬＥＤ素子１の通電特性を示し、（ａ）はＡｌＧａＮバリア層の厚さを変化させたときの電流値の変化を示す特性図、（ｂ）は、電流の変化に対する光度の変化を示す特性図である。
【００２７】
このＬＥＤ素子１では、図２（ａ）に示すように、ＡｌＧａＮバリア層１４１の厚さを５０ÅとしたときのＩｖが１４５μＷと優れた特性を示し、電流を増加させた場合についても図２（ｂ）に示すＧａＮバリアで見られる光度飽和を生じることなく大光量が得られることを確認している。
【００２８】
（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、ＭＱＷ層１４のバリア層をＡｌＧａＮで形成し、その厚さとＡｌの添加量を最適化することで高注入電流の通電に対するキャリアオーバーフローの発生を抑えることが可能となり、発光効率を向上させることができる。また、発光効率の向上によって熱損失を抑えることができ、ＬＥＤ素子１自身が発する熱によって発光特性の低下が生じにくく、連続通電でも安定した発光特性を示すＬＥＤ素子１が得られる。
【００２９】
第１の実施の形態では、バリア層をＡｌ５％添加のＡｌＧａＮとしたが、膜厚を５０ÅとしたときのＡｌの添加量を変化させて電流特性を調べたところ、図３に示すようにＡｌの添加量が３〜６％の範囲でＩｖが１３０μＷ以上の良好な特性を有しており、特に５％の添加量とすることでＩｖが１４５μＷと最も良好な特性を示すことがわかる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態に係る発光装置を示す断面図である。
【００３１】
この発光装置２１は、第１の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１を光源とするものであり、ＬＥＤ素子１を搭載するＡｌ２Ｏ３基板２２と、ＬＥＤ素子１およびＡｌ２Ｏ３基板２２を封止する低融点ガラスからなるガラス封止部２６とを有する。
【００３２】
ＬＥＤ素子１は、図１に示すＬＥＤ素子１を、ＬＥＤ素子１と同等の熱膨張率（α＝７×１０−６／℃）を有するＡｌ２Ｏ３基板２２にフリップ実装しており、ＬＥＤ素子１のパッド電極１８およびｎ側電極１９はＡｕスタッドパンプ２７を介してＡｌ２Ｏ３基板２２に銅箔によって形成される回路パターン２３に電気的に接続される。この回路パターン２３は、Ａｌ２Ｏ３基板２２に形成されたビアホール２２０に設けられるビアパターン２５を介して素子搭載面と反対側の底面に設けられる回路パターン２４と接続されている。
【００３３】
ガラス封止部２６は、ＬＥＤ素子１およびＡｌ２Ｏ３基板２２と同等の熱膨張率を有し、３５０℃でホットプレス加工の可能な低融点ガラス（屈折率ｎ＝１．８）によって形成されており、光取出し面となる側面２６０および上面２６１を有している。なお、ガラス封止部２６の表面にＹＡＧ(Yttrium Aluminum Garnet)等の黄色蛍光体層を薄く設けることにより、青色と黄色の混合に基づいて白色光を生じる白色発光装置２１とすることができる。
【００３４】
（発光装置２１の動作）
発光装置２１の回路パターン２４を図示しない外部の電源部に接続して電圧を印加することにより、ＬＥＤ素子１のＭＱＷ層で発光する。発光に基づいて生じる青色光は、主としてＬＥＤ素子１のサファイア基板１０側からガラス封止部２６に入射する。ガラス封止部２６の屈折率はサファイア基板１０の屈折率（ｎ＝１．７）より大であるので、青色光はサファイア基板１０との界面反射を生じることなくガラス封止部２６に入射し、側面２６０および上面２６１から外部放射される。
【００３５】
（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、第１の実施の形態で説明したＬＥＤ素子１の好ましい効果に基づく大光量の発光装置２１が得られる。また、ＬＥＤ素子１をガラス封止することによってエポキシ、シリコーン等の樹脂材料封止に比べてＬＥＤ素子１の封止性が良好で信頼性に優れるので、ＬＥＤ素子１から放射される青色光に対して無機材料からなるガラス封止部２６の劣化が生ぜず、長期にわたって光学特性の安定した発光装置２１とできる。なお、シリコーンについては耐熱性においてエポキシ樹脂より優れることから、発熱量の大なるＬＥＤ素子１を封止する場合に用いることでエポキシ樹脂に比べて封止性と耐熱性を向上させることができる。
【００３６】
また、ＬＥＤ素子１から放射される青色光に対して無機材料からなるガラス封止部２６の劣化が生じないので、長期にわたって発光特性の安定した大光量の発光装置２１が得られる。また、ＬＥＤ素子１を含めた発光装置２１全体の耐熱性が良好である。さらにガラスは樹脂材料に対し熱膨張率が小であるので、封止材料の熱膨張収縮による要因等での断線は理論上生じないものとできる。このため、通電電流を大にした際に生じる発熱にも耐えうる構成とできることから、長時間の連続点灯でも発光効率の低下が生じず、大電流通電としても断線しない安定した大光量の放射性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子の層構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すＡｌＧａＮバリア層を有するＬＥＤ素子の通電特性を示し、（ａ）はＡｌＧａＮバリア層の厚さを変化させたときの電流値の変化を示す特性図、（ｂ）は、電流の変化に対する光度の変化を示す特性図である。
【図３】膜厚一定（５０Å）でＡｌの添加量を変化させたときの電流特性図である。
【図４】第２の実施の形態にかかる発光装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…ＬＥＤ素子、１０…サファイア基板、１１…ＡｌＮバッファ層、１２…ｎ−ＧａＮ層、１３…歪緩和超格子層、１４…ＭＱＷ層、１５…クラッド層、１６…ｐ−−ＧａＮ層、１７層…ｐ＋−ＧａＮ層、１８…パッド電極、１９…ｎ側電極、２０…コンタクト層、２１…発光装置、２２…Ａｌ２Ｏ３基板、２３…回路パターン、２４…回路パターン、２５…ビアパターン、２６…ガラス封止部、２７…スタッドパンプ、１３０…ＩｎＧａＮ層、１３１…ｎ−ＧａＮ層、１４０…ＩｎＧａＮ層、１４０…ＩｎＧａＮ層、１４１…ＡｌＧａＮバリア層、１５０…ｐ−ＩｎＧａＮ層、１５１ｐ−ＡｌＧａＮ層、２２０…ビアホール、２６０…側面、２６１…上面、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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