(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層が積層された窒化物半導体素子であって、
前記窒化物半導体素子は、ｐ型窒化物半導体層の最上面の外周に沿って、前記ｐ型窒化物半導体層の最上面から前記活性層を貫通する深さの溝が形成され、
前記溝は、その内部に内壁表面に接した第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層に接した第２の絶縁層とが形成されており、
前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層よりも屈折率が高い材料よりなることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記第１の絶縁層は、ＳｉＯ２からなる請求項１記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記第２の絶縁層は、ポリイミド系樹脂からなる請求項１乃至請求項２記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード等に用いられる窒化物半導体素子に係り、特に、封止材料の劣化を防止し、発光ダイオードの高輝度を維持できる窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
窒化物半導体は広いバンドギャップを持ち、直接遷移型であることから、短波長の発光素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）の材料として利用される。特に窒化物半導体素子を用いた高輝度の青色発光ＬＥＤは、ＬＥＤディスプレイ、交通信号灯、イメージスキャナー光源等の各種光源として実用化されている。
【０００３】
ＬＥＤは、基本的には半導体素子、電極及び封止材料から構成されている。半導体素子は、基板上に形成された少なくとも半導体接合を有するｐ型及びｎ型の半導体と、それぞれの半導体に接したｐ電極及びｎ電極により構成されている。
【０００４】
半導体素子の具体的な一例として窒化物半導体素子を挙げると、図５のように透光性絶縁基板であるサファイア、スピネル等の基板５０１の上に窒化物半導体と格子定数の不整合を緩和させるバッファ層（図示せず）、ｎ電極５０８とオーミック接触を得るためのＳｉがドープされたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層５０２、キャリア結合により光を発生させるＧａＮ及びＩｎＧａＮよりなる活性層（発光層）５０３、キャリアを活性層に閉じこめるためのＭｇがドープされたＡｌＧａＮ及びＭｇがドープされたＩｎＧａＮよりなるｐ型クラッド層５０４、ｐ電極５０７とオーミック接触を得るためのＭｇがドープされたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層５０５が順に積層されている窒化物半導体と、この窒化物半導体をエッチングして形成させたｎ型窒化物半導体の露出面に所望の形状に形成させたｎ電極５０８と、ｐ型窒化物半導体層の表面のほぼ全面を覆う全面電極５０６上に所望の形状に形成させたｐ電極５０７とを有し、これら窒化物半導体及び各電極を外部から保護し短絡を防ぐ目的で形成させた絶縁層５０９とから構成される。この窒化物半導体素子をリード電極上にマウントし、電気的に導通を取り、透光性のエポキシ系樹脂等の封止材料で封止してＬＥＤとなる。このようなＬＥＤに通電させると、窒化物半導体素子中の活性層から発光した光が最上面のｐ型窒化物半導体層の表面及び活性層端面から放出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年のＬＥＤの高出力化に伴い、従来には無かったような問題が発生してきた。その一つに、封止材であるエポキシ系樹脂が、窒化物半導体素子から発せられる光によって劣化するという問題がある。
【０００６】
エポキシ系樹脂は一般に、窒化物半導体との密着性が良く、機械的強度に優れ、また化学的にも安定しており、価格が安価である等の理由から、封止材料として現在最もよく用いられている材料であり、太陽光等の外部からの弱い光及び熱に対しては耐候性に優れている。しかし、青色を発光可能な窒化物半導体素子を用いたＬＥＤの場合、他色に比べてエネルギーが高いため、エポキシ系樹脂が劣化して黒褐系色に着色し、窒化物半導体素子からの光を吸収してしまう。そのため、長時間の使用により、窒化物半導体素子が劣化していないにもかかわらず、ＬＥＤの発光強度が低下してしまうという問題が生じている。
【０００７】
従って、本発明は、窒化物半導体素子を封止しているエポキシ系樹脂の劣化を抑制し、ＬＥＤの高輝度を維持する窒化物半導体素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、窒化物半導体素子を封止しているエポキシ系樹脂のうち、特に劣化が激しいのは活性層端面周辺であり、窒化物半導体素子の形状を改良することで上記問題を解決出来ることを見いだし、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
すなわち本発明の窒化物半導体素子は、基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層が積層された窒化物半導体素子であって、
前記窒化物半導体素子は、ｐ型窒化物半導体層の最上面から前記活性層を貫通する深さの溝が形成され、溝の内部には内壁表面に接した第１の絶縁層と、第１の絶縁層に接した第２の絶縁層とが形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記第１の絶縁層及び第２の絶縁層は、屈折率の異なる材料よりなることを特徴とする。
【００１１】
さらにまた、前記第２の絶縁層は、第１の絶縁層よりも屈折率の高い材料よりなることを特徴とする。
【００１２】
また、前記溝は、窒化物半導体素子のｐ型窒化物半導体層の最上面の外周近傍に沿って形成されていることが好ましい。このように構成することで、活性層を平行に伝搬する光を効率よく拡散させることができる。
【００１３】
また、前記第１の絶縁層として、ＳｉＯ２を好適に用いることができる。
【００１４】
また、前記第２の絶縁層として、ポリイミド系樹脂を好適に用いることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の発光ダイオードは、基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層が積層された窒化物半導体素子であって、特に、活性層から発光される主発光波長が５００ｎｍ以下である窒化物半導体素子である。以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の窒化物半導体について説明する。
【００１６】
本発明に係る実施の形態の窒化物半導体素子の正面図を図２に、図２のＡ−Ａ’面における断面図を図１に示す。本発明の実施の形態の窒化物半導体素子は、図１に示すように、サファイア、スピネル等の基板１０１上に窒化物半導体層との格子定数の不整合を緩和させるバッファ層（図示せず）、ｎ電極１０８とオーミック接触を得るためのＳｉがドープされたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１０２、キャリア結合により光を発生させるＧａＮおよびＩｎＧａＮよりなる活性層（発光層）１０３、キャリアを活性層に閉じこめるためのＭｇがドープされたＡｌＧａＮ及びＭｇがドープされたＩｎＧａＮよりなるｐ型クラッド層１０４、ｐ電極１０７及び全面電極１０６とオーミック接触を得るためのＭｇがドープされたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０５が順に積層されている。
【００１７】
バッファ層は低温によって結晶成長を行ったＧａＮで、膜厚は１０〜５００Åが好ましい。ｎ型コンタクト層１０２は、ＳｉがドープされたＧａＮから構成され、膜厚は１〜２０μｍが好ましく、さらに好ましくは２〜６μｍである。ｎ型コンタクト層１０２の上に例えばＳｉがドープされたＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層を膜厚１００〜５００Åの厚さで形成させてもよい。活性層１０３は膜厚２５〜３００ÅのＩｎＧａＮから構成されてもよいし、あるいは、膜厚５０ÅのＧａＮ及び膜厚３０ÅのＩｎＧａＮを１〜１０層形成し、最後に膜厚５０ÅのＧａＮを形成した単一あるいは多重量子井戸層として構成されてもよい。
【００１８】
ｐ型クラッド層１０４はＭｇがドープされたＡｌＧａＮ及びＭｇがドープされたＩｎＧａＮから構成され、膜厚は１００Åから０．２μｍが好ましい、ｐ型コンタクト層１０５はＭｇがドープされたＧａＮから構成され、膜厚は０．０５〜０．２μｍが好ましい。
【００１９】
その後、窒化物半導体をエッチングするが、本発明の実施の形態においては、図１に示すように、ｐ型窒化物半導体層（ｐ型コンタクト層）１０５の最上面から活性層１０３を貫通する溝１１２が形成され、溝の内部には、内壁に接した第１の絶縁層１０９と、第１の絶縁層に接した第２の絶縁層１１１が形成されている。
【００２０】
溝の深さは、ｐ型窒化物半導体層の最上面の表面から活性層を貫通する深さに形成されていればよい。本実施の形態のように、絶縁性の基板を用いてｐ電極とｎ電極とが同じ側に形成されている場合、電流の経路を確保するために溝の深さをｎ型窒化物半導体層までとするのが好ましい。あまり深すぎると電流の経路が狭くなって電流が流れにくくなり、また、溝が基板まで達すると電流が流れなくなるので好ましくない。
また、別の形態として、基板として導電性の材料、例えばＧａＮを用いてその導電性ＧａＮ基板側に形成されたｎ電極と、ｐ型窒化物半導体層側に形成されたｐ電極とが、対面する形態の窒化物半導体素子の場合は、ｐ型窒化物半導体層の最上面の表面から形成された溝が導電性ＧａＮ基板にまで達していても、電流の流れを阻害するものではないので、このような場合は、溝の深さは基板までであっても何ら差し支えない。
【００２１】
また、本実施の形態の溝は、エッチングにより形成させることができる。ｎ電極形成面を露出させる際のエッチング時に同時に形成させてもよいし、また、ｎ電極形成面を露出させた後に更にエッチングにより溝を形成してもよい。前者は工程を増やすことなく、マスクを変更するだけで溝を形成することができ、後者はエッチング工程が２回に増えるという問題はあるものの、任意の深さの溝を形成させることができる。
【００２２】
また、本実施の形態の溝は、その溝の内部に絶縁層を形成させてある。これによって、活性層（発光層）端面とエポキシ系樹脂とを遠ざけることができる。つまり、エポキシ系樹脂が最も劣化し易い活性層端面とエポキシ系樹脂との間には、絶縁層と溝の外壁（窒化物半導体の端面と溝との間の部分）が形成されていることになる。溝の外壁にはｐ電極が形成されていないので電流が供給されず、活性層が発光しない窒化物半導体である。従って、溝の外壁とエポキシ系樹脂が近接しても何ら問題はない。
【００２３】
溝の内部には、内壁に接した第１の絶縁層と、この第１の絶縁層に接した第２の絶縁層とが形成され、これら２層の絶縁層は屈折率の異なる材料が用いられる。ここで、本実施の形態の窒化物半導体素子の活性層端面周辺の拡大図を図３に示す。第２の絶縁層が、第１の絶縁層よりも高い屈折率を有する材料であった場合、活性層から放出された光は、エポキシ系樹脂に達するまでに図中の矢印で示すように、主に第２の絶縁層と他の部材との界面を通過する際に拡散される。大きく分けると、▲１▼溝内部の内側壁に接した第１の絶縁層と第２の絶縁層との界面、▲２▼溝内部の第２の絶縁層と溝の外壁に接した第１の絶縁層との界面、▲３▼溝の外壁の外側壁に接した第１の絶縁層と第２の絶縁層との界面、の各界面で広く拡散される。このように、溝の内部に、屈折率の小さい第１の絶縁層を窒化物半導体の表面に接して形成させ、その上に屈折率の大きい第２の絶縁層を形成させることで、活性層端面からの光をより効率よく拡散させることができる。
【００２４】
また、上記のように形成させる溝の位置は、図２に示すように窒化物半導体のｐ型窒化物半導体層の最上面の外周近傍に沿って形成させるのが好ましい。溝の外壁と窒化物半導体の側面との間の活性層は、電流が供給されず発光しないため、発光面積を広く取る為には窒化物半導体の側壁近傍に沿って溝を形成させることが好ましい。また、溝の幅については、エッチング精度により任意に設定することができるが、発光面積を広く取るためには狭い方が好ましい。あまり広く取りすぎると、発光面積が狭くなるので好ましくない。
【００２５】
第１の絶縁層の材料としてはＳｉＯ２が、また、第２の絶縁層の材料としては、ポリイミド系樹脂を好適に用いることができる。ＳｉＯ２とポリイミド系樹脂は、屈折率等の性質は異なるが、ともにエポキシ系樹脂と同様の無色透明の材料である。しかし、エポキシ系樹脂に比べてＬＥＤ内部の窒化物半導体素子からの波長の短い光に対して劣化しにくいので、長時間使用してもＬＥＤの発光強度を低下させにくい。
【００２６】
また、本発明の窒化物半導体素子は、ＬＥＤ等に用いることができ、例えば図４のような砲弾型のＬＥＤに搭載することができるが、この形態にとどまらず、エポキシ系樹脂等の封止材料で窒化物半導体素子を封止するものであれば、外形は任意に選択することができるので、表面実装型等の各種ＬＥＤに用いることができるのはいうまでもない。また、封止材料中に、窒化物半導体素子からの光によって励起されて蛍光を発する蛍光物質を含んでいる場合にも適用することができ、このような場合でもＬＥＤの輝度劣化を抑制する効果は十分期待できる。
【００２７】
【実施例】
［実施例］
窒化物半導体として、下記のような構成を有する窒化物半導体を用いる。各半導体層は、基板上に有機金属気層成長方法（ＭＯＣＶＤ法）により形成される。図１に示すように、サファイア基板上にＧａＮからなる膜厚約１００Åのバッファ層（図示せず）、ＳｉがドープされたＧａＮからなる膜厚約４μｍのｎ型コンタクト層兼クラッド層、ＧａＮ及びＩｎＧａＮからなる膜厚約１６００Åの多量子井戸構造の活性層（発光層）、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮ及びＭｇがドープされたＩｎＧａＮからなる膜厚約４００Åのｐ型クラッド層、ＭｇがドープされたＧａＮからなる膜厚約３０００Åのｐ型コンタクト層の順に積層されている。
【００２８】
この窒化物半導体に正極及び負極の電極を形成させる。まず、ｎ電極をｎ型コンタクト層に形成させるために窒化物半導体の端部をエッチング除去する。エッチングはｐ型コンタクト層側から行い、ｎ型コンタクト層が露出する深さまで約１μｍ程度とする。このとき、ｐ型コンタクト層の最上面の周辺近傍に沿って溝が形成できるようなマスクを用いることで、図１のようなｐ型窒化物半導体層の表面から約１μｍの深さの溝を有する窒化物半導体が得られる。
【００２９】
上記で得られた窒化物半導体のｐ型コンタクト層（最上面）と接し、全面を被覆する電極として金をスパッタリング法を用いて成膜する。この全面電極の上にはｐ電極として金を、エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層の上にはｎ電極としてタングステン／アルミニウムをそれぞれ形成させる。その後、蒸着法によって全面にＳｉＯ２層を形成させる。
【００３０】
次いで、レジストマスクを利用してドライエッチングさせることによりｐ電極及びｎ電極の表面を露出させる。レジストマスクを除去して窒化物半導体上にＳｉＯ２層を露出させる。次いで、全面にポリイミド系樹脂層を形成し、ウェットエッチングによりｐ電極及びｎ電極を露出させることにより、本発明の窒化物半導体素子を得る。
【００３１】
［比較例］
比較のために、ｎ型コンタクト層形成時にに溝を形成させない以外は、実施例と同様に行って窒化物半導体素子を得た。
【００３２】
上記の実施例及び比較例で得られた窒化物半導体素子の端面周辺の発光強度のプロファイルを図６に示す。図６は、窒化物半導体素子の端面からの距離を横軸とし、溝の形成されていないｐ型窒化物半導体層の最上面の発光強度を基準発光強度（１００％）とした相対発光強度を縦軸としたプロファイルである。比較例で得られた溝の形成されていない窒化物半導体素子は、図６中の破線で示されるように、活性層端面（距離＝０μｍ）での発光強度が極端に強く、基準発光強度の約２．５倍もの値を示している。これに対し、実施例で得られた溝を有する窒化物半導体素子は、図６中の実線で示されるように、活性層端面周辺の発光強度は溝に由来する３つのピークを有し、そのうちの最も発光強度の強いものでも、基準発光強度の約１．５倍である。このように、活性層端面からの強い発光強度の光は、溝を形成させることで拡散され、エポキシ系樹脂の１点に集中しないことがわかる。強い光を１点に集中させないで拡散させることで、エポキシ系樹脂の劣化を抑制することができる。
【００３３】
上記の実施例及び比較例で得られた窒化物半導体を、リード電極上にダイボンディング機器を用いてマウントさせる。窒化物半導体の各電極とリード電極とを金線を用いてワイヤボンディングさせ、電気的に導通を取る。次いで、エポキシ系樹脂により封止することによりＬＥＤを得る。このＬＥＤに電流を供給し、発光強度を測定した結果を図７に示す。比較例で得られたＬＥＤは、約１０００時間経過した頃より強度が劣化し始め、約１００００時間経過した頃には、発光強度は初強度の約６０％程度にまでの低下しているのがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、最表面から活性層を貫通する深さの溝を窒化物半導体素子の最上面外周近傍に沿って形成し、この溝に屈折率の異なる２層の絶縁層を形成させることにより、活性層端面に集中していた光を拡散させることができる。そのため活性層を平行に進む光による活性層端面周辺のエポキシ系樹脂の劣化を抑制することができるので、発光ダイオードの劣化も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の窒化物半導体素子の構成を示す図。
【図２】  本発明の窒化物半導体素子の構成を示す正面図
【図３】  本発明の窒化物半導体の活性層端面周辺を示す拡大図。
【図４】  本発明の窒化物半導体素子を用いたＬＥＤの一例を示す図。
【図５】  従来の窒化物半導体素子の構成を示す図。
【図６】  本発明の実施例及び比較例の窒化物半導体素子の発光強度のプロファイルを示す図。
【図７】  本発明の実施例及び比較例の窒化物半導体素子を用いたＬＥＤの発光輝度の経時変化を示す図。
【符号の説明】
１０１、５０１・・・基板
１０２、５０２・・・ｎ型コンタクト層
１０３、５０３・・・活性層（発光層）
１０４、５０４・・・ｐ型クラッド層
１０５、５０５・・・ｐ型コンタクト層
１０６、５０６・・・全面電極
１０７、５０７・・・ｐ電極
１０８、５０８・・・ｎ電極
１０９、５０９・・・第１の絶縁層
１１１・・・第２の絶縁層
１１２・・・溝
４１０・・・エポキシ系樹脂
４２１・・・リード電極
４２２・・・窒化物半導体素子
４２３・・・ワイヤ
【図１】
0004501234.tif 000002
【図２】
0004501234.tif 000003
【図３】
0004501234.tif 000004
【図４】
0004501234.tif 000005
【図５】
0004501234.tif 000006
【図６】
0004501234.tif 000007
【図７】
0004501234.tif 000008