(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＡｌＰ系半導体を発光部に用いた半導体発光素子において、高輝度かつ高信頼性を実現しうる発光素子を提供する。【解決手段】金属基板と、前記金属基板の上に設けられた第一導電型のＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる第一のクラッド層と、前記第一のクラッド層の上に設けられたＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられた第二導電型のＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる第二のクラッド層と、前記第二のクラッド層の上に設けられた第二導電型の半導体からなる電流拡散層と、を備える構成とする。【選択図】図１
2007081010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板と、前記金属基板の上に設けられたＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
金属基板と、前記金属基板の上に設けられた第一導電型のＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる第一のクラッド層と、前記第一のクラッド層の上に設けられたＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられた第二導電型のＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる第二のクラッド層と、前記第二のクラッド層の上に設けられた第二導電型の半導体からなる電流拡散層と、を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記金属基板は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン合金、モリブデン合金、からなる群より選択されたいずれか一つの材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記金属基板と前記第一のクラッド層の間には、前記金属基板に接する側から順に、第一の金属層と第二の金属層と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第一の金属層は、Ａｕ系の材料からなることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第二の金属層はＡｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖからなる群より選ばれたいずれか一つの材料またはその合金からなることを特徴とする請求項４又は５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記電流拡散層の上に、電流拡散層とオーミック接合しない台座電極と台座電極と電気的に接続された細線状のオーミック電極配線部と、を設けたことを特徴とする請求項２乃至６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記台座電極の下に台座電極と電流拡散層との電気伝導を妨げる電流阻止層をさらに設けたことを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に係り、特に金属基板の上にＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部を有し、発光効率を向上させた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、赤色から黄緑色の可視光領域での高効率発光が可能な４元化合物半導体であるＩｎＧａＡｌＰ系材料を発光部に用いた発光素子が注目されている。
【０００３】
なお、本明細書において「ＩｎＧａＡｌＰ系」とは、組成式Ｉｎx（Ｇａ1-yＡｌy）1-xＰにおける組成比ｘ及びｙをそれぞれ０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１の範囲で変化させたあらゆる組成の半導体を含むものとする。すなわち、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＡｌＧａＰなどの混晶が「ＩｎＧａＡｌＰ系」に含まれるものとする。
【０００４】
ＩｎＧａＡｌＰ系材料は上記組成式において組成比ｘが約０．５のときにＧａＡｓと格子整合するという特徴がある。このとき、組成比ｙを０から約０．４まで変化させると格子整合しながら赤色から黄緑色の直接遷移による可視発光が得られる。また、ＧａＡｓを用いた高品質で比較的安価な基板が得られることから、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体はＧａＡｓ基板の上に形成されることが多く、これを用いた高効率の発光素子が広く用いられている。
【０００５】
図３は、従来のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子の例を示す概略断面図である。
【０００６】
図３に示す半導体発光素子３００は、ｎ型ＧａＡｓ基板３１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層３２、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３３、ＩｎＧａＡｌＰ活性層３４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３５、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層３６、が順次積層され、さらにｐ側電極３７及びｎ側電極３８が形成されている。各半導体層は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により適宜組成を調整されながらエピタキシャル成長される。
【０００７】
最近では、用途が広範にわたるにつれ、より高輝度の発光が可能な発光素子が求められるようになり、素子からの光取り出し効率の改善が進められている。
【０００８】
図４は、従来のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子の他の例を示す概略断面図である。
【０００９】
図４に示す半導体発光素子４００は、ｎ型Ｓｉ（シリコン）単結晶基板４１の上に、第一金属層４２、中間金属層４３、第二金属層４４とを含む金属層４５と、さらにｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４６、ＩｎＧａＡｌＰ活性層４７、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４８、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４９が順次積層され、さらにｐ側電極６１及びｎ側電極６２が形成されている。
【００１０】
図４に示す半導体発光素子４００は、図示しないＧａＡｓ基板の上に、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４９、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４８、ＩｎＧａＡｌＰ活性層４７、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４６、を例えば、ＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させ、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４６の表面に金属層４５を介してｎ型Ｓｉ単結晶基板４１を接合し、しかる後、ＧａＡｓ基板をケミカル選択エッチングにより除去し、ｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４９及びｎ型Ｓｉ単結晶基板４１の上にそれぞれｐ側電極６１及びｎ側電極６２を形成することにより作製される。
【００１１】
このような構造により、ＩｎＧａＡｌＰ活性層４７から発せられた光のうちｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４６の側へ向かう光が金属層４５で反射されてｐ型ＧａＡｌＡｓ電流拡散層４９の側へ向かうこととなり、ＩｎＧａＡｌＰ活性層４７から発せられた光を有効利用することができ、素子からの光取り出し効率を高めることができるとされている。
【００１２】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１、特許文献２が知られている。
【特許文献１】特開平４−２１２４７９号公報
【特許文献２】特開２００１−３３９１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、半導体発光素子の用途が車載用ランプや屋外交通信号など、より高輝度で、かつ高信頼性が要求される分野に広がるとともに、上記従来の半導体発光素子ではその要求を満たすことができなくなってきており、更なる改善が求められている。
【００１４】
したがって、本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体を発光部に用いた半導体発光素子であって、高輝度かつ高信頼性を実現しうる発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の発光素子は、金属基板と、前記金属基板の上に設けられたＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の発光素子によれば、金属基板を備えることでＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部からの発熱を効率的に素子外部へ放出することができるので、従来よりも高効率の発光が可能となる。また、従来の発光素子と比較して大電流での駆動も可能となり、より高輝度の発光が可能となることから照明分野での利用も可能となる。
【００１７】
さらに、金属基板を備えることで、従来のＳｉ基板を用いた場合のような基板側の電極を形成する必要がないため、製造工程を簡略化することが可能となり、製造コストを低減することが可能となる。
【００１８】
さらにまた、従来のＧａＡｓ基板に替えて金属基板を備えることで、発光素子におけるＡｓ(砒素)の含有率を低減することができ、発光素子が廃棄された後の自然環境に与える影響を少なくすることができる。
【００１９】
上記の構造においてさらに、電流拡散層の上の電極構造をオーミック電極配線と電流阻止層による構造とすることにより、表面発光における発光分布を改善するとともに無効電流を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本願の第１の発明は、金属基板と、前記金属基板の上に設けられたＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、を備えたことを特徴としたものである。
【００２１】
従来のＧａＡｓ基板やＳｉ基板を用いた場合よりも放熱性を高め、良好な発光特性と信頼性を得ることができる。
【００２２】
本願の第２の発明は、金属基板と、前記金属基板の上に設けられた第一導電型のＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる第一のクラッド層と、前記第一のクラッド層の上に設けられたＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、前記発光層の上に設けられた第二導電型のＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる第二のクラッド層と、前記第二のクラッド層の上に設けられた第二導電型の半導体からなる電流拡散層と、を備えたことを特徴としたものである。
【００２３】
従来のＧａＡｓ基板やＳｉ基板を用いたダブルヘテロ構造タイプの発光素子よりも放熱性を高め、良好な発光特性と信頼性を得ることができる。
【００２４】
本願の第３の発明は、前記金属基板は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン合金、モリブデン合金、からなる群より選択されたいずれか一つの材料からなることを特徴としたものである。
【００２５】
種々の金属の中でも特に熱伝導率の高い材料を基板に用いることで発光素子の放熱性を高めることができる。
【００２６】
本願の第４の発明は、前記金属基板と前記第一のクラッド層の間には、前記金属基板に接する側から順に、第一の金属層と第二の金属層と、を備えることを特徴としたものである。
【００２７】
金属基板とクラッド層とを金属層を介して接合することにより金属基板と発光部との接合強度を高め、発光素子の信頼性を高めることができる。
【００２８】
本願の第５の発明は、前記第一の金属層は、Ａｕ系の材料からなることを特徴としたものである。
【００２９】
これにより金属基板との接合強度を高めることができる。
【００３０】
本願の第６の発明は、第二の金属層はＡｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖからなる群より選ばれたいずれか一つの材料またはその合金からなることを特徴としたものである。
【００３１】
これにより発光層から発せられた光を電流拡散層の側へ反射させることができる。
【００３２】
本願の第７の発明は、前記電流拡散層の上に、電流拡散層とオーミック接合しない台座電極と台座電極と電気的に接続された細線状のオーミック配線電極部と、を設けたことを特徴としたものである。
【００３３】
これにより高効率発光が可能な表面発光型の発光素子が得られる。
【００３４】
本願の第８の発明は、前記台座電極の下に台座電極と電流拡散層との電気伝導を妨げる電流阻止層をさらに設けたことを特徴としたものである。
【００３５】
これにより無効電流を低減し、発光効率を高めることができる。
【００３６】
本発明の発光素子は、高輝度かつ高信頼性を実現するために、金属基板と、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部と、を備えることを最も主要な特徴とする。放熱性を高めるという目的を、金属材料を基板に用いることで実現したものである。
【００３７】
（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る発光素子の構成を図１に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の構成を説明する概略断面図である。
【００３８】
図１において、発光素子１００は金属基板１の上に、Ａｕからなる第一金属層２とＰｔからなる第二金属層３とを有する。第二金属層３の上にはｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４とＩｎＧａＡｌＰ活性層５とｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層６とからなるダブルヘテロ構造の発光部を有し、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層６の上にはｎ型ＧａＡｌＡｓからなる電流拡散層７を有する。
【００３９】
電流拡散層７の上の一部にはｐ型ＩｎＧａＡｌＰからなる電流阻止層８が形成され、電流阻止層８の上に台座電極９が形成されている。ｐ型電流拡散層の上であって台座電極９の周囲には台座電極９と接続され電流拡散層７とオーミック接触するオーミック配線電極部５０を有している。電流拡散層７及び電流阻止層８はいずれも活性層５から発せられた光に対し略透明となるように組成を調整して形成されている。
【００４０】
本発明の発光素子の最も重要な特徴は、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部を金属基板１の上に備えたことである。従来のように発光部がＧａＡｓ基板やＳｉ基板の上に設けられた構造と比較して、熱伝導率の高い金属基板を備えることにより発光部からの発熱を効率良く外部へ発散させることができる。このため、熱による発光特性の変動を抑制することができ、発光部の変成、劣化を低減し発光効率及び信頼性を高めることができる。
【００４１】
金属基板１に用いる材料は、特に、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン合金、モリブデン合金、からなる群より選択されたいずれか一つの材料とすることが好ましい。これらの金属材料は、他の金属材料と比較して熱伝導率や硬度の点で優れており、発光素子の基板として適しているからである。
【００４２】
本実施の形態においては、金属基板１は選択された一つの材料で構成されるが、上記の群より選択された二つ以上の材料を積層した合板材料としてもよい。また、上記の群より選択された一つと、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ等の他の金属材料とを２種又は３種以上組み合わせた合板材料としてもよい。
【００４３】
金属基板１は１００μｍから３００μｍの厚みで形成される。製造工程におけるウエハのハンドリングの容易さの観点からはある程度厚いほうが良いが、あまり厚いと逆にハンドリングが困難となったり、表面実装タイプの発光装置に実装する際にパッケージ厚みを越えたりするなどの不具合が生じる。上記の厚みの範囲がハンドリング、製造コスト、実装設計の面で適している。
【００４４】
ここで、図１を参照しながら、本発明の実施の形態に係る発光素子の製造工程について簡単に説明する。
【００４５】
まず、図示しないｎ型ＧａＡｓ基板を準備する。ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡＳ基板の上に、図示しないｎ型ＧａＡＳバッファ層、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰからなる電流阻止層８、ｎ型ＧａＡｌＡｓからなる電流拡散層７、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層６、活性層５、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４、をエピタキシャル成長により形成する。
【００４６】
しかる後、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４の上にＰｔからなる第二金属層３とＡｕからなる第一金属層２を抵抗加熱蒸着法やイオンビーム蒸着法、スパッタ法等により成膜する。第二金属層３及び第一金属層２の厚みはそれぞれ０．１μｍ及び２μｍとする。
【００４７】
次に、有機溶剤により脱脂洗浄した金属基板１を準備し、金属基板１の一主面と第一金属層２の表面を密着させつつ重ね合わせ、２００℃から７００℃に加熱させることにより、接合処理を行う。加熱は、例えば窒素雰囲気中やアルゴン雰囲気中で行う。これにより、金属基板１が第一金属層２に接合される。
【００４８】
接合処理の後、図示しないｎ型ＧａＡｓ基板とｎ型ＧａＡＳバッファ層をケミカル選択エッチングにより除去し、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰからなる電流阻止層８の表面を露出させる。そして、フォトリソグラフィとケミカル選択エッチングにより、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰからなる電流阻止層８を、発光面の対角線方向に延長する形状を略円形の形状に付加した所定の形状にパターニングする。これにより、ｎ型ＧａＡｌＡｓからなる電流拡散層７の表面の一部が露出される。
【００４９】
電流阻止層８のパターニングの後、露出した電流拡散層７及び電流阻止層８の上の全面にＡｕＺｎ／Ａｕからなる金属膜を形成し、所定の形状にパターニングすることにより、オーミック配線電極部５０を形成する。オーミック配線電極部５０のうち、電流拡散層７の上に形成された部分が電流拡散層７とオーミック接触をなし、電流阻止層８の上に形成された図示しない部分が、オーミック接触をなす部分への供給路をなすこととなる。
【００５０】
さらにこの後、電流拡散層７、電流阻止層８及びオーミック配線電極部５０の上の全面に金属膜を形成し、ほぼ円形の形状にパターニングする。これにより、台座電極９が形成される。
【００５１】
その後、ウエハをブレードダイシングやレーザダイシング等によりチップ化することにより、図１に示すような発光素子１００が得られる。
【００５２】
図１において、活性層５から発せられた光は、電流拡散層７を透過して図中上方より素子外部に取り出すことができる。台座電極９はＡｕ系材料又はＴｉ／Ａｌ系材料を０．１μｍから３μｍ程度の厚みで形成されるため、台座電極９を形成した領域からは活性層５からの光は素子外部に取り出されないが、台座電極９の直下には電流阻止層８が形成されているため、外部電源からの電流は台座電極９の直下の領域には流れず、発光に寄与しない無効電流を低減することができる。
【００５３】
台座電極９に供給された電流は、台座電極９と接続され電流拡散層７とオーミック接触するオーミック配線電極部５０へ流れ、電流拡散層７を介して発光部へ供給される。オーミック配線電極部５０は、ＡｕＺｎ系材料を０．０１μｍから２μｍ程度の厚みで形成されており、線幅が１μｍから１０μｍ程度の細線状にパターン形成されている。活性層からの発光は台座電極９及びオーミック配線電極部５０が形成されていない電流拡散層７の表面から素子外部へ取り出される。
【００５４】
図２は、本発明の実施の形態に係る発光素子の概略上面図である。
【００５５】
図２において、オーミック配線電極部５０が台座電極９の周囲に素子外形とほぼ相似型の矩形配線パターン５１とその四隅から矩形内部へ延びる接続細線パターン５２とで構成されている。オーミック配線電極部５０の矩形配線パターン５１と台座電極９は接続細線パターン５２で接続されており、接続細線パターン５２及び台座電極９の直下には電流阻止層８が形成されており、外部電源からの電流は台座電極９及び接続細線パターン５２を介して矩形配線パターン５１を経て電流拡散層７から紙面の下方へ流れ活性層５に供給される。
【００５６】
このような構成とすることで、台座電極９及び接続細線パターン５２の直下での発光が抑制されるので、活性層５からの発せられた光が台座電極９及び接続細線パターン５２で遮られて素子外部に取り出されないという事態を抑制するとともに、台座電極９の直下よりも素子外延部への電流供給を促進することで台座電極９での遮光による無効電流を低減し、表面発光型の発光素子でありながら、発光素子側面からの光の取り出しをも促進することで光取り出し効率を高めることができる。
【００５７】
本実施の形態の発光素子を図３に示すような従来技術による発光素子と比較すると、軸上光度において約５０％の発光効率の改善が認められた。また、連続通電寿命試験において、順方向電流５０ｍＡにて１０００時間の通電の後の輝度残存率、すなわち、通電前の輝度に対する通電後の輝度の変化率において、従来技術による発光素子が約７０％にまで低下したのに対し、本実施の形態の発光素子は約９８％と輝度の低下がほとんど認められなかった。
【００５８】
本実施の形態においては、まずｎ型ＧａＡｓ基板の上に発光部を形成した後金属基板１を接合し、ｎ型ＧａＡｓ基板を除去する構成を示したが、発光部を形成する層の導電型は本実施の形態に限定されず、ｐ型をｎ型に、かつｎ型をｐ型に反転させた構成としても良い。その場合には、オーミック配線電極部に用いる金属材料は良好なオーミック接触が得られるよう適宜選択することができる。さらに、各層の材料及び組成、並びにオーミック配線電極部及び電流阻止層の形状などについても、本発明の思想を脱しない範囲で種々変形して用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
金属基板と、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光層と、を備えることによって発光部からの発熱を効率的に素子外部へ放出することができるので、従来よりも高効率の発光が可能となり、高輝度の発光が必要な用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光素子の概略断面図
【図２】本発明の実施の形態に係る発光素子の概略上面図
【図３】従来のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子の例を示す概略断面図
【図４】従来のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体発光素子の他の例を示す概略断面図
【符号の説明】
【００６１】
１  金属基板
２  第一金属層
３  第二金属層
４  ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
５  ＩｎＧａＡｌＰ活性層
６  ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
７  電流拡散層
８  電流阻止層
９  台座電極
５０  オーミック配線電極部
【図１】
2007081010.tif 000003
【図２】
2007081010.tif 000004
【図３】
2007081010.tif 000005
【図４】
2007081010.tif 000006