(57)【要約】【課題】逆方向の正電圧に対する耐絶縁破壊性を向上させること。【解決手段】ｎ伝導型の高キャリア濃度ｎ+ 層３、発光層５、ｐ伝導型のｐ層６１とが３族窒化物半導体で形成された発光ダイオード１１０と、同様な構成の補償ダイオード３２０が同一のサファイア基板１に形成されている。ｎ電極層８と補償ダイオード３２０のｐ伝導型の第２層６２のｐ電極層３２１とが接続されている。同様に、ｐ電極層７と補償ダイオード３２０のｎ伝導型の第１層３のｎ電極層３２２とが接続されている。発光ダイオード１１０に逆電圧が印加、即ち、ｎ電極層８がｐ電極層７より高くなっても、補償ダイオード３２０が導通するので、発光ダイオード１１０には逆電圧がかからない。よって、逆電圧により破壊が防止される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３族窒化物半導体から成るｐ層、そのｐ層に接続するｐ電極層、ｎ層及びそのｎ層に接続するｎ電極層とから成る発光部を有した発光素子において、
前記発光部の前記ｐ電極層に電気的に接続されるｎ伝導型の第１層と、前記発光部の前記ｎ電極層に電気的に接続されるｐ伝導型の第２層とが接合された逆耐圧補償用の補償ダイオードを設け、
発光層と第１のｎ層との間に、電子濃度が発光層及び第１のｎ層よりも低い第２のｎ層を設けたことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記補償ダイオードは、前記発光部が形成されている基板と別の基板に形成され、前記発光部と前記補償ダイオードとの電気的接続はリードにより行われていることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記補償ダイオードは、前記発光部が形成されている基板と別の基板に形成され、前記発光部と前記補償ダイオードとの電気的接続はリードにより行われ、前記発光部と前記補償ダイオードとが同一樹脂で封止されていることを特徴とする請求項２に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記補償ダイオードは、前記発光部が形成されている基板と同一基板に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記補償ダイオードの層構造は、前記発光部の層構造と同一に形成されており、前記発光部と前記補償ダイオードとの間に絶縁分離の溝が形成され、前記発光部と前記補償ダイオードとの電気的接続はリードワイヤにより行われいることを特徴とする請求項４に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記補償ダイオードは、前記発光部の前記ｐ層の上に積層された前記第１層とその第１層の上に積層された第２層とで構成されていることを特徴とする請求項４に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は逆方向の静電耐圧を向上させた３族窒化物半導体を用いた発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、３族窒化物半導体発光素子として、ZnとSiとを添加したIn1-XGaXNから成る発光層をホール濃度1×1018/cm3以下のｐ伝導型のAlGaNからなるｐ層と電子濃度2×1018/cm3のGaNから成るｎ層とで挟んだダブルヘテロ構造のものが知られている。この発光素子は、420〜520nmの青色の発光が得られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の構成の発光素子は、静電気に対する正、逆方向の耐電圧が低いという問題がある。
【０００４】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、静電気に対する耐絶縁破壊性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、３族窒化物半導体から成るｐ層、そのｐ層に接続するｐ電極層、ｎ層及びそのｎ層に接続するｎ電極層とから成る発光部を有した発光素子において、発光部のｐ電極層に電気的に接続されるｎ伝導型の第１層と、発光部のｎ電極層に電気的に接続されるｐ伝導型の第２層とが接合された逆耐圧補償用の補償ダイオードを設けたことを特徴とする。
請求項２、３の発明は、補償ダイオードと発光部とを別々の基板に形成し、両者の接続をリードで行ったものであり、特に、請求項３の発明は、共通に樹脂で封止したものである。
【０００６】
請求項４、５、６の発明は、補償ダイオードと発光部とを同一基板に形成したものである。
特に、請求項５の発明は、補償ダイオードの層構造と発光部の層構造と同一に形成し、発光部と補償ダイオードとの間に絶縁分離の溝を形成し、発光部と補償ダイオードとの電気的接続をリードワイヤにより行ったものである。
又、請求項６の発明は、発光部の上に補償ダイオードを積層したものである。
【発明の効果】
【０００７】
補償ダイオードの作用により、発光部に逆方向に印加される静電気による破壊を防止することができる。
また、発光層と第１のｎ層との間に、電子濃度が発光層及び第１のｎ層よりも低い第２のｎ層を設けたために、正方向の正電圧による各層及び各層間での電界が小さくなるため、正方向に500Vの静電圧を印加しても絶縁破壊は見られない。
請求項４、５、６の発明は、発光部の層形成工程において補償ダイオードを製造することができる。
特に、請求項５の発明では、発光部の３族窒化物半導体の層形成により補償ダイオードを構成する層を形成されるので、製造が極めて簡単化される。
又、請求項６の発明は、発光部を形成する工程に続いて補償ダイオードを形成できるため、製造が簡単となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施例を記載する。
【実施例１】
【０００９】
図１において、本発明の発光部に該当する発光ダイオード１００は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に500ÅのAlNのバッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約2.0μｍ、電子濃度2×1018/cm3のシリコンドープGaNから成る高キャリア濃度ｎ+層３、膜厚3000Å、電子濃度1×1017/cm3のシリコンドープのGaNから成るｎ層４、膜厚約0.05μｍのIn0.08Ga0.92Nから成る発光層５、膜厚約1.0μｍ、ホール濃度5×1017/cm3、濃度1×1020/cm3にマグネシウムがドープされたAl0.08Ga0.92Nから成るｐ層６１、膜厚約0.2μｍ、ホール濃度7×1017/cm3、マグネシウム濃度2×1020/cm3のマグネシウムドープのGaNから成るコンタクト層６２が形成されている。そして、コンタクト層６２上にはその層６２に接合するNiから成るｐ電極層７が形成されている。さらに、高キャリア濃度ｎ+層３の表面の一部は露出しており、その露出部上にその層３に接合するNiから成るｎ電極層８が形成されている。
【００１０】
次に、この構造の発光ダイオード１００の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード１００は、有機金属化合物気相成長法(以下「M0VPE」と記す)による気相成長により製造された。
用いられたガスは、NH3とキャリアガスH2又はＮ2とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG」と記す)とトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA」と記す)とトリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI」と記す)と、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)(以下「CP2Mg」と記す）である。
【００１１】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする厚さ100〜400μｍの単結晶のサファイア基板１をM0VPE装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2Liter/分で反応室に流しながら温度1100℃でサファイア基板１を気相エッチングした。
【００１２】
次に、温度を400℃まで低下させて、H2を20Liter／分、NH3を10Liter／分、TMAを1.8×10-5モル／分で供給してAlNのバッファ層２が約500Åの厚さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20Liter／分、NH3を10Liter／分、TMGを1.7×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを20×10-8mol/分で30分供給して、膜厚約2.2μｍ、電子濃度2×1018/cm3のシリコンドープのGaNから成る高キャリア濃度ｎ+層３を形成した。
【００１３】
次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、N2又はH2を10Liter／分、NH3を10Liter／分、TMGを1.12×10-4モル／分、及び、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシランを1×10-8mol/分で、4分供給して、膜厚約3000Å、濃度1×1017/cm3のシリコンドープのGaNから成るｎ層４を形成した。
【００１４】
続いて、温度を850℃に保持し、N2又はH2を20Liter／分、NH3を10Liter／分、TMGを1.53×10-4モル／分、及び、TMIを0.02×10-4モル／分で、6分間供給して0.05μｍのIn0.08Ga0.92Nから成る発光層５を形成した。
【００１５】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20Liter／分、NH3を10Liter／分、TMGを1.12×10-4モル／分、TMAを0.47×10-4モル／分、及び、CP2Mgを2×10-4モル／分で60分間導入し、膜厚約1.0μｍのマグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐ層６１を形成した。ｐ層６１のマグネシウムの濃度は1×1020/cm3である。この状態では、ｐ層６１は、まだ、抵抗率108Ωcm以上の絶縁体である。
【００１６】
続いて、温度を1100℃に保持し、N2又はH2を20Liter／分、NH3を10Liter／分、TMGを1.12×10-4モル／分、及び、CP2Mgを4×10-4モル／分の割合で4分間導入し、膜厚約0.2μｍのマグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るコンタクト層６２を形成した。コンタクト層６２のマグネシウムの濃度は2×1020/cm3である。この状態では、コンタクト層６２は、まだ、抵抗率108Ωcm以上の絶縁体である。
【００１７】
このようにして、図２に示す断面構造のウエハが得られた。次に、このウエハを、４５０℃で４５分間、熱処理した。この熱処理により、コンタクト層６２、ｐ層６１は、それぞれ、ホール濃度7×1017/cm3，5×1017/cm3、抵抗率2Ωcm，0.8Ωcmのｐ伝導型半導体となった。このようにして、多層構造のウエハが得られた。
【００１８】
次に、図３に示すように、コンタクト層６２の上に、スパッタリングによりSiO2層９を2000Åの厚さに形成し、そのSiO2層９上にフォトレジスト１０を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図３に示すように、コンタクト層６２上において、高キャリア濃度ｎ+層３に対するｎ電極層形成部位Ａ'のフォトレジスト１０を除去した。次に、図４に示すように、フォトレジスト１０によって覆われていないSiO2層９をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【００１９】
次に、フォトレジスト１０及びSiO2層９によって覆われていない部位のコンタクト層６２、ｐ層６１、発光層５、ｎ層４を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2、BCl3ガスを10ml/分の割合で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。この工程で、図５に示すように、高キャリア濃度ｎ+層３に対するｎ電極層取出しのための孔Ａが形成された。
【００２０】
次に、試料の上全面に、一様にNiを蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、図１に示すように、高キャリア濃度ｎ+層３及びコンタクト層６２に対するｎ電極層８，ｐ電極層７を形成した。その後、上記の如く処理されたウエハを各チップに切断して、発光ダイオードチップを得た。
【００２１】
このようにして形成された発光ダイオード１００は、図６に示すように、リード２０１の上部の平坦部２０３に取り付けられ、ｎ電極層８とリード２０１がワイヤ２０４で接続され、ｐ電極層７とリード２０２がワイヤ２０５で接続された後、レンズ２０６を形成するために樹脂成形される。一方、補償ダイオード３００のアノード３０１がリード２０１に接続され、補償ダイオード３００のカソード３０２がリード２０２に接続されている。
【００２２】
これにより、発光ダイオード１００のｎ電極層８が補償ダイオード３００のｐ伝導型の第２層に接続され、ｐ電極層７がｎ伝導型の第１層に接続されることになる。よって、発光ダイオード１００にとって逆電圧となるリード２０２に対してリード２０１が高い電圧が印加される時、補償ダイオード３００が導通することになり、発光ダイオード１００には逆電圧が印加されないため、絶縁破壊は起こらない。
【実施例２】
【００２３】
図７に示すように、補償ダイオード３１０を発光ダイオード１００と共に樹脂成形し、レンズ２０６の中に組み込んでも良い。
【実施例３】
【００２４】
本実施例は、図８に示すように、発光ダイオード１１０と補償ダイオード３２０とを同一基板、即ち、サファイア基板１上に形成した例である。
上述したように、バッファ層２からコンタクト層６２まで形成する。その後、ｎ電極層８を形成するための層６２から層４までのエッチング工程において、補償ダイオード３２０のｎ電極層３２２を形成するための溝４１０を形成する。次に、補償ダイオード３２０を発光ダイオード１１０から絶縁分離するために、コンタクト層６２、ｐ層６１、発光層５、ｎ層４、高キャリア濃度ｎ+層３、バッファ層２をエッチングして溝４００を形成してサファイア基板１を露出させる。
【００２５】
次に、第１実施例と同様に、発光ダイオード１１０のｐ電極層７、ｎ電極層８、補償ダイオード３２０のｐ電極層３２１、ｎ電極層３２２を形成する。このようにして形成された発光素子は図９に示すようにリード２０１の平坦部２０３に取り付けられる。そして、発光ダイオード１１０のｐ電極層７はリード２０２にワイヤ２１０で電気的に接続され、補償ダイオード３２０のｎ電極層３２２（カソード）はワイヤ２１１によりリード２０２に電気的に接続される。同様に、発光ダイオード１１０のｎ電極層８はリード２０１にワイヤ２１２で電気的に接続され、補償ダイオード３２０のｐ電極層３２１はワイヤ２１３によりリード２０１に電気的に接続される。
【００２６】
これにより、発光ダイオード１１０のｐ電極層７は補償ダイオード３２０のｎ伝導型である高キャリア濃度ｎ+層３（第１層）に電気的に接続され、発光ダイオード１１０のｎ電極層８は補償ダイオード３２０のｐ伝導型であるコンタクト層６２（第２層）に電気的に接続される。よって、発光ダイオード１１０にとって逆電圧となるリード２０２に対してリード２０１が高い電圧が印加される時、補償ダイオード３２０が導通することになり、発光ダイオード１１０には逆電圧が印加されないため、絶縁破壊は起こらない。
【実施例４】
【００２７】
本実施例は、図１０に示すように、発光ダイオード１２０のコンタクト層６２の上に補償ダイオード３３０を形成した例である。
上述したように、バッファ層２からコンタクト層６２まで形成する。その後、補償ダイオード３３０を形成するために、ｎ型のGaNから成る第１層３３３とｐ型のGaNから成る第２層３３４を形成する。
【００２８】
そして、第１実施例と同様な工程により、エッチングした後、発光ダイオード１２０のｐ電極層７、ｎ電極層８、補償ダイオード３３０のｐ電極層３３１、ｎ電極層３３２を形成する。このようにして形成された発光素子は図１０に示すようにリード２０１の平坦部２０３に取り付けられる。そして、発光ダイオード１２０のｐ電極層７は補償ダイオード３３０のｎ電極層３３２（カソード）にワイヤ２２０で電気的に接続されると共にワイヤ２２１によりリード２０２に電気的に接続される。同様に、発光ダイオード１２０のｎ電極層８はリード２０１にワイヤ２２２で電気的に接続され、補償ダイオード３３０のｐ電極層３３１はワイヤ２２３によりリード２０１に電気的に接続される。
【００２９】
これにより、発光ダイオード１２０のｐ電極層７は補償ダイオード３３０のｎ伝導型である第１層３３３に電気的に接続され、発光ダイオード１２０のｎ電極層８は補償ダイオード３３０のｐ伝導型である第２層３３４に電気的に接続される。よって、発光ダイオード１２０にとって逆電圧となるリード２０２に対してリード２０１が高い電圧が印加される時、補償ダイオード３３０が導通することになり、発光ダイオード１２０には逆電圧が印加されないため、絶縁破壊は起こらない。
【００３０】
又、上記の第１〜第４の実施例において、発光ダイオード１００、１１０、１２０に正方向にも静電圧を印加して、その静電耐圧を測定した。500Vの静電圧を印加しても絶縁破壊は見られなかった。
これは、発光層５とｎ+層３との間に、電子濃度が発光層やｎ+層３よりも低いｎ層を設けたために、正方向の正電圧による各層及び各層間での電界が小さくなるためと思われる。
【００３１】
上記のいずれの実施例においても、発光層５のバンドギャップが両側に存在するｐ層６１とｎ層４のバンドギャップよりも小さくなるようなダブルヘテロ接合に形成されている。又、発光層５とｐ層６１の成分比は、GaNの高キャリア濃度ｎ+層の格子定数に一致するように選択されている。
又、上記実施例ではダブルヘテロ接合構造を用いたが、シングルヘテロ接合構造であっても良い。
さらに、上記実施例は、発光ダイオードの例を示したが、レーザダイオードであっても同様に構成可能である。
又、上記の第３、第４実施例において、補償ダイオード３２０，３３０は３族窒化物半導体を用いたが他の物質であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図５】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図。
【図６】第１実施例に係る発光素子の機構を示した構成図。
【図７】第２実施例に係る発光素子の機構を示した構成図。
【図８】第３実施例に係る発光素子の層構造を示した断面図。
【図９】第３実施例に係る発光素子の機構を示した構成図。
【図１０】第４実施例に係る発光素子の層構造及び機構を示した構成図。
【符号の説明】
【００３３】
１００，１１０，１２０…発光ダイオード
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ+層
４…ｎ層
５…発光層
６１…ｐ層
６２…コンタクト層
７…ｐ電極層
８…ｎ電極層
３００，３１０，３２０，３３０…補償ダイオード
３２１，３３１…ｐ電極層
３２２，３３２…ｎ電極層
２０１，２０２…リード
２１０，２１１，２１２，２１３…ワイヤ
２２０，２２１，２２２，２２３…ワイヤ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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