(57)【要約】【課題】チップサイズを大きくした発光ダイオードにおいて、発光効率を向上させて大発光量を得る。【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ層３、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ発光層４、ｐ−Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ層５およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層６を積層し、ｎ側電極７を基板１の裏面に備えるものである。主な光取出し面はｐ側電極８側の面であって、該面の表面からｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ発光層４の表面までエッチングして溝９を形成し、主な光取出し面であるｐ側電極面を６分割する。その後、約１．０ｍｍ×０．６５ｍｍのサイズで素子毎にへき開する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｐ型およびｎ型の一方の半導体層、発光層および他方の半導体層をこの順に積層してなり、前記発光層に対して前記基板と反対側の面が主たる光取出し面である面発光型発光素子において、
前記反対側の面から少なくとも前記他方の半導体層の途中までの深さの、前記光取出し面を複数に分割する溝が設けられていることを特徴とする面発光型発光素子。
【請求項２】
基板上に、ｐ型およびｎ型の一方の半導体層、発光層および他方の半導体層をこの順に積層してなり、前記基板の裏面が主たる光取出し面である面発光型発光素子において、
前記発光層に対して前記基板と反対側の面から少なくとも前記他方の半導体層の途中までの深さの、前記光取出し面を複数に分割する第１の溝が設けられていることを特徴とする面発光型発光素子。
【請求項３】
前記基板に、発光光を前記主な光取出し面方向に光学的に案内する切出し面が設けられていることを特徴とする請求項２記載の面発光型発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の積層方向に垂直な面が主たる光取出し面となっている面発光型発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の積層方向に垂直な面が主たる光取出し面となっている面発光型発光素子において、発光素子からの発光量を大きくするための一手段として、チップサイズを大きくすることが考えられる。しかし、チップサイズを大きくすると、ｐ側電極およびｎ側電極との接触領域も大きくなり、接触の不均一によって電流注入の不均一が生じるため発光にバラツキが生じる。
【０００３】
そこで、チップサイズを大きくし、電極を分割してコンタクトをとることにより複数のチップが配列されたものと同等の発光素子を得る方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的な、一辺が０．２５〜０．５ｍｍ程度の正方形の発光素子の場合、発光領域から鋭角に放出される光はチップ側面から取り出されるが、チップサイズを大きくすると、発光領域から鋭角に放出される光はチップ側面から放射されず、上面光取出し面に到達し反射され、発光領域に戻り吸収される。このため光取出し効率が低下し、チップサイズに比例して発光効率が上がらないという問題がある。
【０００５】
また、チップサイズを大きくすると、電流がチップ内の結晶欠陥等に起因する発光量の少ない部分に集中し、さらに、その部分で発光しないために生じる発熱に起因して半導体の抵抗値が減少し、さらなる電流の増加、発熱および結晶欠陥の増殖と加速的に素子劣化が生じ、素子内の最も結晶欠陥が多い部分から順次劣化し、その結果、発光効率が低下するという問題もある。さらに結晶欠陥による不均一な電流パスによって、発光ムラおよび輝度ムラ等が発生したり、経時信頼性が低下したりする。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて、発光効率が高く、大発光量を得ることが可能な発光ダイオードを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の面発光型発光素子は、基板上に、ｐ型およびｎ型の一方の半導体層、発光層および他方の半導体層をこの順に積層してなり、発光層に対して基板と反対側の面が主たる光取出し面である面発光型発光素子において、反対側の面から少なくとも他方の半導体層の途中までの深さの、光取出し面を複数に分割する溝が設けられていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の第２の面発光型発光素子は、基板上に、ｐ型およびｎ型の一方の半導体層、発光層および他方の半導体層をこの順に積層してなり、基板の裏面が主たる光取出し面である面発光型発光素子において、発光層に対して基板と反対側の面から少なくとも他方の半導体層の途中までの深さの、光取出し面を複数に分割する第１の溝が設けられていることを特徴とするものである。第２の面発光型発光素子において、基板に、発光光を主な光取出し面方向に光学的に案内する切出し面が設けられていてもよい。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の第１の面発光型発光素子によれば、基板上に、ｐ型およびｎ型の一方の半導体層、発光層および他方の半導体層をこの順に積層してなり、発光層に対して基板と反対側の面が主たる光取出し面である面発光型発光素子において、反対側の面から少なくとも他方の半導体層の途中までの深さの、光取出し面を複数に分割する溝が設けられていることにより、結果的に発光効率を上げることができ、大発光量を得ることができる。具体的には、前述のような結晶欠陥による不均一な電流パスや電極接触の不均一による生じる発光ムラ等の悪影響を、分割された一領域内に留めることができ、チップサイズを単に大きくする場合に比べて発光ムラ等を抑制することができる。
【００１０】
また、本発明の第２の面発光型発光素子によれば、基板上に、ｐ型およびｎ型の一方の半導体層、発光層および他方の半導体層をこの順に積層してなり、基板の裏面が主たる光取出し面である面発光型発光素子において、発光層に対して基板と反対側の面から少なくとも他方の半導体層の途中までの深さの、光取出し面を複数に分割する第１の溝が設けられていることにより、上記同様にチップサイズを大きくして発光効率を上げることができ、大発光量を得ることができる。
【００１１】
さらに第２の面発光型発光素子において、基板に、発光光を主な光取出し面方向に光学的に案内する切出し面が設けられていることにより、素子内部で反射し発光層により吸収されていた光を光取出し面である基板裏面側へとりだすことができるので、光取出し効率を上げることができ、発光量を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
本発明の第１の実施の形態による赤色発光ダイオードについてその製造方法に沿って説明する。図１にその発光ダイオードの作製過程における斜視図を示す。
【００１４】
以下のようにして、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、エピタキシャル多層膜を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板１（キャリア濃度（ｃｍ−３）：１×１０１８〜３×１０１８）を、表面の自然酸化膜を除去するために、エッチング処理（Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝４：１：１）後、水洗し、液層エピタキシャル装置にセットする。液層エピタキシャル装置内には所望の各層に対応して組成調整された金属ガリウムメルトがカーボンボートの枠内にセットされている。必要により、厚膜化が必要な場合には、２種類のメルトを使用する。装置内を水素置換し所定の温度に上げて基板およびメルトからガス出しを行った後、所定の温度に到達後、炉内を除冷しつつ、基板の入ったカーボン製スライダーを横に順次移動させてエピタキシャル層を形成する。
【００１５】
上記方法により、図１（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２（キャリア濃度：１×１０１８〜３×１０１８（ｃｍ−３）、図示せず）、ｎ−Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ層３（キャリア濃度：０．７×１０１８〜２×１０１８（ｃｍ−３））、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ発光層４（キャリア濃度：０．７×１０１８〜３×１０１８（ｃｍ−３））、ｐ−Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ層５、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６（キャリア濃度：３×１０１８〜２０×１０１８（ｃｍ−３））を順次積層する。
【００１６】
次に、フォトリソグラフィ工程により、ｐ側電極７の形状にレジストに窓を開ける。その後、Ｃｒを真空蒸着法により、およそ５〜３０ｎｍ程度の厚さで形成し、次に金を約５０〜３００ｎｍ形成する。その後、レジストとレジスト上の金属をリフトオフするために、アセトン等の溶媒につける。とれにくい場合は、超音波洗浄装置に入れる。こうしてｐ側電極７のパターンのみが基板上に形成される。
【００１７】
次に、ｐ側電極７の上に、電子ビーム蒸着法やプラズマＣＶＤ法などによりＳｉＯ２膜、ＳｉＮｘ、ＳｉＯＮ等の誘電体膜を約２００ｎｍ程度形成する。フォトリソグラフィ工程により、溝形成を行う部分以外をレジストで覆う。バッファードフッ酸によりウェットエッチング、あるいは窒化物を含む誘電体を使用した場合にはＣＦ４等のガスを用いてドライエッチングを行い、レジストで覆われていない部分の誘電体膜を除去する。次に、レジストをオゾンアッシャーで除去する。図１（ｂ）に示すように、誘電体膜をエッチングマスクとして、例えばクエン酸系エッチャントを用いてウェットエッチングにより、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ発光層４の上面までの深さで幅約０．０５ｍｍの溝９を形成する。
【００１８】
次に、基板１裏面を研磨し、全体の厚さを１００〜２００μｍ程度まで薄くする。その後、硫酸・過酸化水素水系エッチング液により、基板１裏面を３〜３０μｍ程度除去して裏面に残る研磨ダメージ層を除去する。その後、ｐ側を覆っていた誘電体膜をフッ酸系水溶液で除去する。
【００１９】
次に、基板１裏面に、ｎ側電極を形成するために、真空蒸着法で金とゲルマニウムの合金を３０〜１００ｎｍ程度で形成し、続いてニッケルを３０〜８０ｎｍ、さらに金を１５０から６００ｎｍ程度形成する。その後、不活性ガスあるいは水素ガス中３７０〜５５０℃程度で数分間熱処理により、シンタリングを行ってｎ側電極８を形成する。その後、約１．０ｍｍ×０．６５ｍｍのサイズに素子毎にへき開して発光ダイオード１０を完成させる。
【００２０】
なお、この溝の形状は作製方法により異なり、ドライエッチングであれば、異方性を制御することにより、溝の断面形状を垂直にも放物形状に似た形にも形成可能である。
【００２１】
本実施の形態による発光ダイオードは、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ層３、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ発光層４、ｐ−Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ層５およびｐ−ＧａＡｓコンタクト層６を積層してなり、コンタクト層６上にｐ側電極７を備え、基板１の裏面にｎ側電極８を備えるものである。主な光取出し面はｐ側電極７側の面であって、該面の表面からｎ側半導体層の一部までの深さの溝９が形成されており、主な光取出し面が６分割されているものである。一般的な正方形の発光ダイオードのチップ一辺が０．２５〜０．５ｍｍであるので、約６倍の発光面積を有するものである。
【００２２】
このように、チップを複数の領域に分離することにより、特にｐ側での結晶欠陥による不均一な電流パスの影響や電極接触の不均一により電流が不均一に流れて生じる発光ムラを分割された一領域への影響に抑えることができ、チップサイズを単に大型化する場合に比べて、発光効率を上げることができ、大発光量を得ることができる。
【００２３】
本実施の形態では、溝９はｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ発光層４の表面まで、すなわちｐ型半導体の途中まで除去して形成したが、図２（ａ）に示すように、さらにｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ発光層４を除去して溝を形成してもよい。あるいは図２（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２の途中、すなわちｎ型半導体層の途中までエッチングして溝を形成してもよい。
【００２４】
本実施の形態による発光ダイオードをリードフレームに実装した図を図３に示す。ｐ側電極７を上にして、リードフレーム２１に固設する。そしてワイヤ２２によって電極端子２３に接続する。その後、図４に示すように、樹脂モールド２４によって封止する。
【００２５】
次に本発明の第２の実施の形態による青色発光ダイオードについて説明する。その発光ダイオードの断面図を図５に示す。
【００２６】
図５（ａ）に示すように、サファイア基板３１を前処理し、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、ＡｌＮバッファ層３２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３３、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層３４、ＳｉとＭｇを適当量ドープしたＧａＮ量子井戸バリア層と発光層であるＩｎＧａＮ層とを交互に複数層積層してなる多重量子井戸層３５、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層３６およびＭｇドープｐ型ＧａＮ層３７をこの順に積層し、ｐ型キャリアの活性化処理を行う。
【００２７】
次に、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィとの蒸着工程およびエッチング工程により、ｐ側透明電極３８およびｐ側電極３９を形成する。Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３３の途中まで素子へき開位置から０．３５ｍｍ程度の領域をエッチング除去する。このとき同時に幅約０．０５ｍｍの溝４１を形成する。露出したＳｉドープｎ型ＧａＮ層３３の上にｎ側電極４０を形成した後、約１．０５ｍｍ×１．０５ｍｍのサイズで素子毎にへき開して発光ダイオード５１を完成させる。
【００２８】
本実施の形態による発光ダイオード５１は、サファイア基板３１上に、ＡｌＮバッファ層３２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３３、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層３４、ＳｉとＭｇを適当量ドープしたＧａＮ量子井戸バリア層と発光層であるＩｎＧａＮ層とを交互に複数層積層してなる多重量子井戸層３５、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ層３６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層３７、ｐ側透明電極３８およびｐ側電極３９をこの順に積層してなり、ｎ側電極４０が、ｐ側電極３９が形成されている面と同方向に形成されており、ｎ型導電層はつながっているが、ｐ型導電層については溝４１により分離された構造となっている。青色の発光光は、サファイア基板３１、へき開面およびｎ側電極４０により反射されて透明電極側から取り出される。
【００２９】
本実施の形態による発光ダイオードにおいては、溝４１はｎ型電極４０を形成するためにＳｉドープｎ型ＧａＮ層３３の途中まで除去する際に同時に作製しているので、溝形成のための特別な工程を必要としないという利点がある。
【００３０】
本実施の形態においても、上記第１の実施の形態同様、発光効率および発光量を向上させることができる。
【００３１】
上記第２の実施の形態による発光ダイオードにおいて、ｐ側透明電極３８のかわりに、チタン層２０〜８０ｎｍ、アルミニウム層２０〜８０ｎｍ、チタン層２０〜１００ｎｍ、白金層５０〜２００ｎｍ、金層１００〜５００ｎｍを積層した電極として、発光領域からの発光をサファイア基板３１で反射させる構造とし、さらにｐ側とｎ側の高さの差をなくす構造、つまりｎ側電極４０上にさらに金メッキ層６５を１．５〜４μｍ程度積層したものを、絶縁層６２を介して金による導出配線６３，６４が設けられた基板６１上に、はんだ６６により電極側の端面を下にしてボンディング（いわゆるフリップチップ実装）し、サファイア基板側を光取出し面としている発光装置について説明する。その発光装置の断面図を図６に示す。フリップチップ実装の場合、輝度ムラは低減されるが、図６に示すように、発光光の一部は、基板表面で反射されて光取出し面方向とは異なる方向に放射される。また、基板表面で反射された光のうち発光層に戻った光は、発光層に吸収されるために、結果的にチップ外へ光を取出すことができない。このため、光取出し効率が低下し、輝度が低下するという問題がある。
【００３２】
そこで、本発明の第３の実施の形態による発光ダイオードについて説明する。
その発光ダイオードの断面図を図７に示す。本実施の形態による発光ダイオードは、上記第２の実施の形態による発光ダイオードと同構造であって、サファイア基板３１に溝７１および切出し面７２を有するものである。上記第２の実施の形態による発光ダイオードと同要素には同符号を付し説明を省略する。
【００３３】
図７に示すように、上記第２の実施の形態による発光ダイオードと同構造であって、サファイア基板３１に溝７１および切出し面７２が形成された素子が、絶縁層６２を介して金による導出配線６３，６４が設けられた基板６１上に、はんだ６６により接着されてなるものである。基板６１には、熱伝導性の良い銅、アルミ、鉄軽合金、コバールあるいは銅系合金（アンビロイ、三菱マテリアル（商品名））等の金属、中心が銅で外側が金属モリブデン、タンタル、チタンあるいはタングステン等で構成されるクラッド材、あるいはアルミナ、窒化アルミニウムまたはｃ−ＢＮ等のセラミックが好ましい。はんだ６６にはクリーム半田を用いてもよい。
【００３４】
発光ダイオードのサファイア基板３１に設けられた溝７１および切出し面７２は、サファイア基板３１の裏面に、誘電体あるいは金属層のマスクをフォトリソグラフィ工程により所望の形状に形成してドライエッチングによる方法、あるいは、さらに短時間で処理する場合にはフィルムレジスト等を用いて所望のパターンを形成し、ボロンやダイヤモンドを用いたサンドブラスト法により形成することができる。さらに、加工面での光散乱を減らすために、表面粗さを小さくする方法として、ブレード切削しながらフィルム研磨を行う、いわゆるエイペックス研磨と呼ばれる方法がさらに適している。
【００３５】
本実施の形態による発光ダイオードは、発光面であるサファイア基板３１に切出し面が設けられていることにより、図７に示したように進む光を切出し面により屈折および反射させて、光取出し方向へ導くため、光取出し効率が向上されたものとすることができ、溝４１のみを形成した場合に比べ、さらに発光量の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による発光ダイオードの製造過程を示す斜視図
【図２】本発明の他の形態による発光ダイオードを示す斜視図
【図３】第１の実施の形態による発光ダイオードをリードフレームに実装した断面図
【図４】第１の実施の形態による発光ダイオードをモールド封止した断面図
【図５】本発明の第２の実施の形態による発光ダイオードの製造過程を示す断面図
【図６】フリップチップ実装された発光ダイオードのサファイア基板に切りだし面を設けない場合の光路を示す断面図
【図７】本発明の第３の実施の形態による発光ダイオードを示す断面図
【符号の説明】
１　　ｎ−ＧａＡｓ基板
２　　ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３　　ｎ−Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ層
４　　ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ発光層
５　　ｐ−Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ層
６　　ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
７　　ｐ側電極
８　　ｎ側電極
９　　溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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