(57)【要約】【課題】窒化物半導体基板やＺｎＯ基板を採用する面発光型の窒化物半導体発光素子において、広い面積の活性層に、より均一に駆動電流を注入するための技術を提供する。【解決手段】本発明による面発光型発光素子は、窒化ガリウム又は酸化亜鉛で形成されたｎ型基板（１１）と、ｎ型基板（１１）の裏面を部分的に被覆し、且つ、該裏面にオーミック的に接合されたカソード電極（１８）と、ｎ型基板（１１）の主面を被覆し、且つ、ｎ型基板（１１）のバンドギャップに相当する波長よりも長い波長の光を発生するように構成された、窒化物半導体で形成された活性層（１４）と、活性層（１４）を被覆するｐ型窒化物半導体層（１５、１６）と、ｐ型窒化物半導体層（１５、１６）の、ｎ型基板（１１）の反対側の面の全面を被覆するように形成されたアノード電極（１７）を備えている。【選択図】図２
2007200998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム又は酸化亜鉛で形成されたｎ型基板と、
前記ｎ型基板の主面を被覆するｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層を被覆し、且つ、前記ｎ型基板のバンドギャップに相当する波長よりも長い波長の光を発生するように構成された、窒化物半導体で形成された活性層と、
前記活性層を被覆するｐ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型基板の裏面を部分的に被覆するカソード電極と、
前記ｐ型窒化物半導体層の、前記ｎ型基板の反対側の面の全面を被覆するように形成されたアノード電極
とを備える
面発光型発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の面発光型発光素子であって、
前記カソード電極は、前記活性層によって発生された前記光を透過するように構成されている
面発光型発光素子。
【請求項３】
請求項２に記載の面発光型発光素子であって、
前記カソード電極は、金及びニッケルの積層電極で形成された
面発光型発光素子。
【請求項４】
請求項２に記載の面発光型発光素子であって、
前記カソード電極は、酸化インジウム、酸化スズ、ＩＴＯ、及び酸化亜鉛からなる群から選択されたいずれかの材料で形成された
面発光型発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の面発光型発光素子と、
前記アノード電極の全面に接合された金属構造体と、
前記カソード電極に接合されたワイヤ
とを備える
発光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型発光素子に関し、特に、窒化物半導体材料により活性層（発光層）が形成されている面発光型発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードやレーザダイオードのような半導体発光素子の開発における近年の最も重要な成果の一つは、窒化物半導体の採用によって短波長の光、特に、青色の光を発光する技術を確立したことである。窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）のような窒化物半導体は、バンドギャップが広く、且つ、直接遷移型であるため、短波長の光、特に、青色の光を発光するために適している。その一方で、窒化物半導体の形成プロセスの困難性は、技術の進展によって解消されつつある。現在では、窒化物半導体を活性層に採用する発光ダイオード及びレーザダイオードが実用化されている。
【０００３】
近年の窒化物半導体発光素子の一つのトピックは、窒化物半導体基板やＺｎＯ基板の採用である。格子定数の観点からは適切とはいえないにも関らず、窒化物半導体発光素子は、一般的にはサファイア基板を採用している。これは、窒化物半導体基板の作製がかつては困難であったこと、及び、窒化物半導体発光素子の高温プロセスに耐える材料としてサファイアが適切であったことによる。しかしながら、近年の技術の進展によって窒化物半導体基板、及びＺｎＯ基板の作製が可能になり、このため、窒化物半導体基板やＺｎＯ基板の上に窒化物半導体層で形成された活性層を備えた発光素子を形成する技術の検討がなされ始めている。格子定数のミスマッチが小さい窒化物半導体基板やＺｎＯ基板の使用は、格子欠陥の低減に有効である。
【０００４】
例えば、特開平１１−１９１６３７号公報は、ＧａＮ基板の上に窒化物半導体の積層体が形成されている発光素子を開示している。開示された発光素子は、ＧａＮ基板と、その上に順次に形成されたｎ側クラッド層、活性層、ｐ側クラッド層、及びｐ側コンタクト層とを備えている。ＧａＮ基板の裏面にはｎ電極が接合されている。ｐ側コンタクト層は、そのほぼ全面がＮｉ／Ａｌで形成されたｐ電極によって被覆され、その上にｐ電極を部分的に被覆するｐパッド電極が形成されている。加えて、特開２００１−７７４２３号公報は、ＡｌＧａＮ基板の上に窒化物半導体の積層体が形成されている発光素子を開示している。
【０００５】
近年の窒化物半導体発光素子のもう一つのトピックは、面発光型構造の採用である。例えば、面発光型構造の発光ダイオードは、表示用光源、及び、照明用光源として適切である。一方、面発光型構造のレーザダイオードは、レーザーダイオードアレイの形成によって高密度に光源を集積するために有効である。
【０００６】
面発光型発光素子では、広い面積の活性層に均一に駆動電流が注入されることが重要である。しかしながら、窒化物半導体基板やＺｎＯ基板を採用する面発光型の窒化物半導体発光素子では、ｐ型の窒化物半導体の抵抗率が高いことが、均一に駆動電流を注入する上で問題になる。具体的には、ｐ型の窒化物半導体の抵抗率が高いため、窒化物半導体発光素子では、ｎ型窒化物半導体基板が採用される。また、ＺｎＯ基板では、そもそも、ｐ型基板を得ることができない。このため、窒化物半導体基板やＺｎＯ基板を採用する発光素子では、ｐ型の窒化物半導体層（例えば、クラッド層やコンタクト層）がｎ型基板の上方に設けられ、そのｐ型の窒化物半導体層の上にアノード電極が形成される。面発光型発光素子では、光の放出効率を高めるために、アノード電極をｐ型の窒化物半導体層の上面を部分的に被覆するように形成される必要がある。しかしながら、このような構造では、抵抗率が高いｐ型の窒化物半導体層を横方向に駆動電流を流す必要があり、駆動電流の均一性が悪くなる。
【０００７】
このような背景から、窒化物半導体基板やＺｎＯ基板を採用する面発光型の窒化物半導体発光素子では、広い面積の活性層により均一に駆動電流を注入するための技術の提供が求められている。
【特許文献１】特開平１１−１９１６３７号公報
【特許文献２】特開２００１−７７４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、窒化物半導体基板やＺｎＯ基板を採用する面発光型の窒化物半導体発光素子において、広い面積の活性層に、より均一に駆動電流を注入するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。
【００１０】
本発明による面発光型発光素子は、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム又は酸化亜鉛で形成されたｎ型基板（１１）と、ｎ型基板（１１）の主面を被覆するｎ型窒化物半導体層（１２、１３）と、ｎ型窒化物半導体層（１２、１３）を被覆し、且つ、前記ｎ型基板（１１）のバンドギャップに相当する波長よりも長い波長の光を発生するように構成された、窒化物半導体で形成された活性層（１４）と、活性層（１４）を被覆するｐ型窒化物半導体層（１５、１６）と、ｎ型基板の裏面を部分的に被覆するカソード電極（１８）と、ｐ型窒化物半導体層（１５、１６）の、ｎ型基板（１１）の反対側の面の全面を被覆するように形成されたアノード電極（１７）とを備えている。
【００１１】
このような構成の面発光型発光素子は、アノード電極（１７）がｐ型窒化物半導体層（１５、１６）の全面を被覆しているため、ｐ型窒化物半導体層（１５、１６）に電位の分布が生じにくい。従って、活性層（１４）に注入される駆動電流の均一性を有効に向上させることができる。加えて、窒化ガリウム又は酸化亜鉛で形成されたｎ型基板（１１）は、その厚さが充分に大きく、且つ、抵抗率を充分に低減可能であるから、カソード電極（１８）はｎ型基板（１１）の裏面を部分的にしか被覆していないことが駆動電流の均一性に及ぼす影響は小さい。
【００１２】
カソード電極（１８）は、前記活性層によって発生された前記光を透過するように構成されることが好ましい。例えば、カソード電極（１８）は、金及びニッケルの積層電極で形成されることが好適である。その代わりに、カソード電極（１８）は、酸化インジウム、酸化スズ、ＩＴＯ、及び酸化亜鉛からなる群から選択されたいずれかの材料で形成されることも好適である。
【００１３】
このような面発光型発光素子（１）は、アノード電極（１７）の全面に接合する金属構造体（３）を備える発光モジュールに実装されることが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、窒化物半導体基板やＺｎＯ基板を採用する面発光型の窒化物半導体発光素子において、広い面積の活性層に、より均一に駆動電流を注入することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態における発光モジュール１０の構成を示す断面図である。発光モジュール１０は、面発光型の発光ダイオード１と、パッケージ２と、金属ヒートシンク３とを備えている。パッケージ２には、カップ２ａが形成され、カップ２ａの底面に金属ヒートシンク３が挿入されている。発光ダイオード１は、金属ヒートシンク３の上面に接合されている。リード４、５がパッケージ２を貫通するように設けられている。リード４は、ワイヤ６によって発光ダイオード１に電気的に接続され、リード５は、金属ヒートシンク３を介して発光ダイオード１に電気的に接続されている。リード４、５は、発光ダイオード１への駆動電流の供給に使用される。カップ２ａの内部は透明な封止樹脂（図示されない）によって封じられ、封止樹脂によって発光ダイオード１とワイヤ６が保護される。
【００１６】
図２は、発光ダイオード１の構造を示す断面図であり、図３は、発光ダイオード１の構造を示す平面図である。図２に示されているように、発光ダイオード１は、ｎ型ＧａＮ基板１１を備えている。ｎ型ＧａＮ基板１１は、その不純物濃度が高く、これにより、充分な導電性が与えられている。
【００１７】
ｎ型ＧａＮ基板１１の主面には、ｎ型コンタクト層１２と、ｎ型クラッド層１３と、ＭＱＷ（multi-quantum well）層１４と、ｐ型クラッド層１５と、ｐ型コンタクト層１６とが順次に形成されている。本実施形態では、発光ダイオード１は、面発光型構造を採用しており、ｎ型ＧａＮ基板１１の主面の面積は、０．５×０．５ｍｍ２である。
【００１８】
ｎ型コンタクト層１２、ｎ型クラッド層１３、ＭＱＷ層１４、ｐ型クラッド層１５、及びｐ型コンタクト層１６は、いずれも、窒化物半導体で形成される。一実施形態では、ｎ型コンタクト層１２がｎ型のＧａＮで形成され、ｎ型クラッド層１３がｎ型のＡｌＧａＮで形成される。ＭＱＷ層１４は、光を発生する活性層として機能する層である。一実施形態では、ＭＱＷ層１４は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とが積層された多層量子井戸で形成される。加えて、ｐ型クラッド層１５がｐ型のＡｌＧａＮで形成され、ｐ型コンタクト層１６がｐ型のＧａＮで形成される。
【００１９】
更に、金属で形成されたアノード電極１７が、ｐ型コンタクト層１６にオーミック的に接合されている。発光モジュール１０の金属ヒートシンク３は、このアノード電極１７に接合されている。
【００２０】
加えて、カソード電極１８がｎ型ＧａＮ基板１１の裏面にオーミック的に接合されている。発光モジュール１０のワイヤ６は、このカソード電極１８に接合されている。
【００２１】
本実施形態の発光ダイオード１の構造的な特徴の一つは、ＭＱＷ層１４で発生した光をｎ型ＧａＮ基板１１の裏面から放出するように構成されている点にある。発光ダイオード１の裏面から光を放出するために、図３に示されているように、カソード電極１８は、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面の全面ではなく、該裏面の一部分のみを被覆するように形成されている。本実施形態においては、カソード電極１８は、発光ダイオード１の中央に形成された円形のドット部と、そのドット部から発光ダイオード１の隅に向かって延設された突出部分とを備えて構成されている。
【００２２】
加えて、ＭＱＷ層１４はｎ型ＧａＮ基板１１のバンドギャップに対応する波長よりも長い波長の光を発生するように構成される。これは、ＭＱＷ層１４が発生した光がｎ型ＧａＮ基板１１に吸収しにくくするために重要である。ＭＱＷ層１４が発生する光の波長が短すぎると、発生された光がｎ型ＧａＮ基板１１で顕著に吸収され、発光ダイオード１の裏面から放出される光の強度が弱くなる。
【００２３】
一方、アノード電極１７は、ｐ型コンタクト層１６の、ｎ型ＧａＮ基板１１と反対側の面の全面を被覆するように形成されている。ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面から光が放出されるため、アノード電極１７には、光を透過することを要求されないことに留意されたい。従って、アノード電極１７は、厚い金属電極で形成されることが可能であり、面内方向の抵抗を低下させ、且つ、光の反射率を向上するためには、むしろ、アノード電極１７が厚い金属電極で形成されることが好適である。
【００２４】
上述された構造の利点は、ｐ型の窒化物半導体層（即ち、ｐ型クラッド層１５、及びｐ型コンタクト層１６）の抵抗率が大きくても、ＭＱＷ層１４に均一に駆動電流を注入できる点にある。金属で形成され、従って抵抗率が低いアノード電極１７によってｐ型コンタクト層１６の全面が被覆され、更に、金属ヒートシンク３がアノード電極１７に接合されているため、ｐ型クラッド層１５、及びｐ型コンタクト層１６の電位の面内分布は小さい。これは、駆動電流の面内均一性を有効に向上させる。
【００２５】
カソード電極１８は、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面を部分的にしか被覆していないが、このことは、駆動電流の均一性に影響しにくい。なぜなら、ｎ型ＧａＮ基板１１の面内方向の抵抗は小さいからである。ｎ型ＧａＮ基板１１は、厚さが充分に大きく、且つ、ｎ型のＧａＮの抵抗率は充分に小さくすることができるから、ｎ型ＧａＮ基板１１の面内方向の抵抗は、容易に低減することができる。
【００２６】
駆動電流の均一性に優れた上記の構造は、ｎ型ＧａＮ基板１１の一辺が０．５ｍｍ以上であるような大きな面積のＬＥＤを作製するために特に有効である。
【００２７】
本実施形態において、ｎ型ＧａＮ基板１１の代わりに、ｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ基板が使用されることも可能である。この場合、ＭＱＷ層１４は、ｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ基板のバンドギャップに対応する波長よりも長い波長の光を発生するように構成される。使用されるｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ基板のＩｎ組成ｘは、０よりも大きく、０．５以下であることが好ましい。
【００２８】
加えて、上記の構造は、ｎ型ＧａＮ基板１１の代わりにｎ型ＺｎＯ基板が使用される場合でも有効である。ＺｎＯはバンドギャップが大きいから、ＺｎＯ基板は、窒化物半導体で形成されたＭＱＷ層１４で発光された光を吸収しにくい。従って、図２に図示されているような基板の裏面から光を放出する構造を採用しても、光の放出効率の低減は小さい。
【００２９】
本実施形態において、カソード電極１８は、ＭＱＷ層１４によって発生された光の少なくとも一部を透過するように構成されることが好適である。例えば、カソード電極１８は、金薄膜及びニッケル薄膜の積層電極で形成されることが好適である。金及びニッケルは青色光に対する透過率が高いため、金薄膜及びニッケル薄膜の厚さを適切に定めることにより、金薄膜及びニッケル薄膜の積層電極で形成された積層電極は透明電極として機能する。また、カソード電極１８は、酸化インジウム、酸化スズ、ＩＴＯ、及び酸化亜鉛のような透明電極で形成されることも好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明による一実施形態に係る発光モジュールの構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明による一実施形態に係る発光ダイオードの構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明による一実施形態に係る発光ダイオードの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１：発光ダイオード
２：パッケージ
３：金属ヒートシンク
４、５：リード
６：ワイヤ
１０：発光モジュール
１１：ｎ型ＧａＮ基板
１２：ｎ型コンタクト層
１３：ｎ型クラッド層
１４：ＭＱＷ層
１５：ｐ型クラッド層
１６：ｐ型コンタクト層
１７：アノード電極
１８：カソード電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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