(57)【要約】【課題】発光素子の発光部に効率よく電流が拡散し高輝度が得られるように電極が配置された発光素子を提供する。【解決手段】導電性支持基板と、前記導電性支持基板上に金属層と発光部が設けられた発光素子の第１のオーミック配線電極部と台座電極および第２のオーミック配線電極部が発光部を挟む位置関係において、互いに重ならない位置に最適化されたことで、発光された光が台座電極と第２のオーミック配線電極部で遮光されることなく、効率よく外部へ取り出すことができるため、発光効率あるいは光取り出し効率を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性支持基板と、前記導電性支持基板上に金属層とＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部とを備え、
前記発光部の上に電流拡散層を設け、
前記電流拡散層の前記発光部と接する反対面を光取り出し面とする発光素子において、
前記金属層と前記発光部の間に第１のオーミック配線電極部を形成し、
前記光取り出し面の上に台座電極と第２のオーミック配線電極部を設け、
さらに台座電極と第２のオーミック配線電極部を電気的に接続する接続細線パターンを形成し、
前記接続細線パターンと前記第１のオーミック配線電極部が重なる部分を除き、
第１のオーミック配線電極部と台座電極もしくは第２のオーミック配線電極部が互いに重ならない位置に配置されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記第１のオーミック配線電極部および前記第２のオーミック配線電極部の少なくとも一方は発光素子の周辺部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記導電性支持基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃの単位金属基板、もしくはＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、またはその合金を含む金属材料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１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記導電性支持基板上の金属層はＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ａｌ、またはその合金を含む金属材料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１または３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１のオーミック配線電極部と前記第２のオーミック配線電極部は発光部を挟む位置関係において、互いに重ならないように、略相似形状に形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関し、特に導電性支持基板上に金属層を介して設けられた発光素子の電極配置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードの輝度は年々向上し、最近ではインジケータや表示用といった自発光用途だけではなく、照明用といった対象物を照らすために利用されるようになってきた。そのためには、更なる高輝度化が求められている。しかし、例えば従来のＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤの構造の場合、コスト、品質、量産性、および技術上の点より一般にＧａＡｓ基板の上に発光部が形成されており、素子内部の発光がこのＧａＡｓ基板に吸収されるため、光取り出し効率が悪くなる。そこでより光取り出し効率を高めた、いわゆる高輝度の素子を得るために、発光部から基板側に向かう光を効率良く取り出す構造の発光素子が提案されている。一つはＧａＡｓ基板を除去した後、光透過性の半導体基板を接合する方法である。もう一つはＧａＡｓ基板を除去した後、発光部に光反射金属層を介して導電性支持基板を接合する方法である。しかしながら、光透過性の半導体基板を発光部に直接接合しようとした場合、接合材料に透明性と接合強度が要求されるため、この要求を維持したままの工程条件は複雑となる。その結果、接合強度が弱く、信頼性も劣るという点等から、昨今では光反射金属層を介して導電性支持基板を接合する方法が主流となりつつある。
【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および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等の混晶が「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系の発光素子の例を示す概略断面図である。
【０００６】
図３を用いて従来のＩｎＧａＡｌＰ系発光素子の構造を順次説明する。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ＧａＰ電流拡散層３６が有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）等により順次積層形成され、さらにｐ側電極３７およびｎ側電極３８が形成されている。通常の発光素子はこのｎ型ＧａＡｓ基板３１をそのまま基板として利用しているため、ＩｎＧａＡｌＰ活性層３４で発光した光がｎ型ＧａＡｓ基板３１に吸収されてしまい光取り出し効率が悪くなる。これはＩｎＧａＡｌＰのバンドギャップがＧａＡｓよりも大きいためである。この問題を解決するために、半導体多層膜からなる反射層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ層）を基板と発光素子との間に挿入する構造が一般に用いられているが、屈折率の異なる半導体層を交互に積層することにより発光層の光を反射するこの方法では、限られた角度の入射光しか反射されないため、光取り出し効率の向上はあるものの高輝度は期待できない。
【０００７】
そこで、最近主流となっている、発光部に金属を介して導電性支持基板を接合する発光素子の構造を図４に示す（特許文献１を参照）。
【０００８】
図４は従来のＩｎＧａＡｌＰ系の発光部と導電性基板の間に金属を介して接合する発光素子の概略断面図である。
【０００９】
図４に示す発光素子４００は、ｎ型Ｓｉ（シリコン）単結晶基板４１の上に、接合金属層４２、反射金属層４３、オーミック電極層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ＧａＰ電流拡散層４９が順次積層され、さらにｐ側電極３７およびｎ側電極５０が形成されている。発光素子４００は、ＭＯＣＶＤ法により図示しないＧａＡｓ基板の上に、図示しないＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｌＰ系のバッファ層を介しｐ型ＧａＰ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、を順次積層し、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と接合する。しかる後、ＧａＡｓ基板およびバッファ層をケミカル選択エッチングにより除去した後、ｐ型ＧａＰ電流拡散層４９およびｎ型Ｓｉ単結晶基板４１の上にそれぞれｐ側電極３７およびｎ側電極５０を形成することにより作製される。
【００１０】
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ＧａＰ電流拡散層４９の側へ向かうことになり、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。
【特許文献１】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】
【００１１】
しかしながら、発光素子が照明等のように対象物を照らすという用途として利用されるためには、より高輝度の発光素子が求められ、単に基板側へ向かう光を反射させるという上記基板接合タイプの発光素子だけではその要求を満たすことができず、更なる改善が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この改善策として、上記基板接合タイプの発光素子において、発光層へ効率良く電流が流れるようにし、かつ発光した光を取り出す際に電流を印加するためのｐ側電極に可能な限り遮られることのない電極配置とすることにより、光取り出し効率を向上させる方法がある。特に、ＭＯＣＶＤ法等により積層形成されたエピ層は、技術面、コスト面等の関連により、一般的にエピ厚が薄くなるため、電流のエピ層内での広がりが悪くなり、高輝度化を目的とした発光素子にこれらのエピ層を用いる場合、効率良く電流を発光層に流し、それにより得られた発光を可能な限り外部に取り出すことができる電極配置は重要となる。具体的には導電性支持基板と、前記導電性支持基板上に金属層とＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部とを備え、前記発光部の上に電流拡散層を設け、前記電流拡散層の前記発光部と接する反対面を光取り出し面とする発光素子において、前記金属層と前記発光部の間にｎ側電極を形成し、前記光取り出し面の上にｐ側電極とオーミック配線電極を設け、さらにｐ側電極とオーミック配線電極を電気的に接続する接続細線パターンを形成し、前記接続細線パターンと前記ｎ側電極が重なる部分を除き、ｎ側電極とｐ側電極もしくはオーミック配線電極が互いに重ならない位置に配置されていることを特徴とし、ｐ側電極とオーミック配線電極に遮光されない部分の発光部に効率良く電流を流し発光させることにより、高輝度の発光素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エピ層厚みが薄く、電流のエピ層内での広がりが悪い発光素子においても、発光層へ効率良く電流が流れるようにし、かつ発光した光が電流を流すためのオーミック配線電極に遮光されることのない電極配置となっているため、光取り出し効率が向上し高輝度の発光素子が得られる。
【００１４】
さらに、導電性支持基板を光反射率の高い金属層にて接合することにより、発光部から導電性支持基板側に向かう光を効率良く取り出すことが可能となり、より高輝度の発光素子が得られ照明分野への利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本願の第１の発明は、導電性支持基板と、前記導電性支持基板上に金属層とＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる発光部とを備え、前記発光部の上に電流拡散層を設け、前記電流拡散層の前記発光部と接する反対面を光取り出し面とする発光素子において、前記金属層と前記発光部の間に第１のオーミック配線電極部を形成し、前記光取り出し面の上に台座電極と第２のオーミック配線電極部を設け、さらに台座電極と第２のオーミック配線電極部を電気的に接続する接続細線パターンを形成し、前記接続細線パターンと前記第１のオーミック配線電極部が重なる部分を除き、第１のオーミック配線電極部と台座電極もしくは第２のオーミック配線電極部が互いに重ならない位置に配置されていることを特徴としたものである。
【００１６】
電流が台座電極と第２のオーミック配線電極部と第１のオーミック配線電極部の間を流れ発光し、光が取り出される際に、互いの配置を異なった位置にすることにより、各オーミック配線電極部の間で発光した光を台座電極もしくは第２のオーミック配線電極部で遮蔽することがないので、光取り出し効率を高めることができる。
【００１７】
本願の第２の発明は、前記第１のオーミック配線電極部および前記第２のオーミック配線電極部の少なくとも一方は発光素子の周辺部に設けたことを特徴としたものである。
【００１８】
電流が第１のオーミック配線電極部と第２のオーミック配線電極部の間を流れる際に、発光素子の周辺部に広がり、発光部全体を使って発光するので、発光効率を高めることができる。
【００１９】
本願の第３の発明は、前記導電性支持基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃの単位金属基板、もしくはＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、またはその合金を含む金属材料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。
【００２０】
特に導電率の高い材料を基板に用いることで、発光素子の順方向電圧を低くすることができる。
【００２１】
本願の第４の発明は、前記導電性支持基板上の金属層はＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ａｌ、またはその合金を含む金属材料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。
【００２２】
これにより、導電性支持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。また、これらの材料は光反射率が高いので、導電性支持基板に向かう光を反射して光取り出し効率を高めることができる。
【００２３】
本願の第５の発明は、前記第１のオーミック配線電極部と前記第２のオーミック配線電極部は発光部を挟む位置関係において、互いに重ならないように、略相似形状に形成されていることを特徴としたものである。
【００２４】
これにより、第１のオーミック配線電極部と第２のオーミック配線電極部の間で発光した光を、第２のオーミック配線電極部で遮蔽することがないので、光取り出し効率と発光効率を高めることができる。
【００２５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態に係る発光素子の構成を図１と図２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り、図２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上面図である。
【００２６】
図１の発光素子１００は導電性支持基板１の上に、Ａｕ系金属層２、２’を形成し、その上に光反射率の高いＰｔを含むＡｕ系の反射金属層３とＡｕ系からなる第１のオーミック配線電極部４が形成されている。次に反射金属層３と第１のオーミック配線電極部４の上には、順にｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５、ＩｎＧａＡｌＰ活性層６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層７が積層するダブルヘテロ構造の発光部１３を有し、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層７の上にｐ型ＧａＰ電流拡散層８を積層することにより、発光部１３とｐ型ＧａＰ電流拡散層８の半導体エピ層１２が形成される。ｐ型ＧａＰ電流拡散層８の上部には、ｐ型ＧａＰ電流拡散層８とオーミック接合しない台座電極９を形成する。台座電極９の周囲には台座電極９と電気的に接続され、台座電極９から発光素子１００の周囲に伸び、ｐ型ＧａＰ電流拡散層８とオーミック接合する接続細線パターン１４と、ｐ型ＧａＰ電流拡散層８とオーミック接合し台座電極９の一部である第２のオーミック配線電極部１０を形成する。
【００２７】
本発明の発光素子の最も重要な特徴は、台座電極９と第１のオーミック配線電極部４が発光部１３を挟む位置関係において、第１のオーミック配線電極部４が接続細線パターン１４と重なる部分を除き、台座電極９および第２のオーミック配線電極部１０と重ならない位置に配置したことである。図２に示すように、第１のオーミック配線電極部４と互いに重ならない位置に台座電極９が形成され、第１のオーミック配線電極部４と互いに重ならないように、略相似形状に第２のオーミック配線電極部１０が形成される。発光部１３での発光は、ｐ型ＧａＰ電流拡散層８上の台座電極９と第２のオーミック配線電極部１０の形成されていない光取り出し面から出射されるため、遮られるものはなく高輝度の光を取り出すことができる。
【００２８】
例えば、第１のオーミック配線電極部４を図４のｎ型電極４４のように全面電極にし、オーミック接触を得るために熱処理すると、第１のオーミック配線電極部４とｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５の界面に合金層が形成され、この合金層に発光部１３で発光し導電性支持基板１側へ向かう光の多くが吸収され、光取り出し効率を低下させる。またこの対策として第１のオーミック配線電極部４を部分電極にし、導電性支持基板１側へ向かう光を反射電極層３で反射させる構造にしても、第１のオーミック配線電極部４が台座電極９と互いに重なる位置関係に配置されており、発光部１３で発光した光の多くが台座電極９および第２のオーミック配線電極部１０で遮光されてしまう。
【００２９】
第１のオーミック配線電極部４と台座電極９および第２のオーミック配線電極部１０の配置を一部を除き互いに重ならないようにすることにより、台座電極９および第２のオーミック配線電極部１０の間の光取り出し面直下の発光部１３へ効率よく電流が流れ、ここで発光した光が台座電極９および第２のオーミック配線電極部１０で遮光されることなく効率よく外部へ取り出すことが可能となり、発光効率を高めることができる。
【００３０】
導電性支持基板１は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃの単位金属基板、もしくはＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、またはその合金を含む金属材料からなる群より選ばれたいずれか一つの材料、またはその合金といった、ある程度の強度を有する材料を基板として用いることが好ましい。これらは、トータルエピタキシャル層が薄い半導体エピ層１２の支持基板となるため、発光素子全体の強度を確保するために必要となる。また、導電性基板であるため、従来の発光素子同様、台座電極９と導電性オーミック電極１１を上下に配置することができ、フリップチップ構造のように、光取り出し面側に台座電極９と導電性オーミック電極１１を形成する必要がないため、電極による被覆率を小さくすることができるので、発光素子の光取り出し効率を高めることができる。
【００３１】
導電性支持基板１と半導体エピ層１２の接合界面の金属層に光反射率の高いＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ａｌ、またはその合金を含む金属材料からなる群より選ばれたいずれか一つの材料、またはその合金を反射金属層３として用いることにより、基板側全体の反射率が高まる。これにより、オーミックコンタクトを得る為に熱処理にて、やむなく光反射率の低い合金層と化した第１のオーミック配線電極部４が光取り出し面側の台座電極９直下に位置しても、第１のオーミック配線電極部４周辺の反射率全体が向上していることにより高輝度化が実現できる。
【００３２】
ここで、図１を参照しながら、本発明の発光素子の実施の形態の製造工程について簡単に説明する。
【００３３】
まず、図示しないｎ型ＧａＡｓ基板の上に、図示しないｎ型ＧａＡｓバッファ層とｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層をＭＯＣＶＤ法により成長し、次にｐ型ＧａＰからなる電流拡散層８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層７、ＩｎＧａＡｌＰ活性層６、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５を順次積層形成する。
【００３４】
しかる後、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５の上にＡｕ系合金からなる第１のオーミック配線電極部４を形成した後、熱処理を行う。次に第１のオーミック配線電極部４の上にＰｔからなる反射金属層３を電子ビーム蒸着法等により全面に成膜する。続けてＰｔ蒸着表面に薄いＡｕ系金属層２’を０．３μｍ程度蒸着する。
【００３５】
一方、導電性支持基板１の第一主面上にＡｕ系金属層２を０．３μｍ程度電子ビーム蒸着法等により蒸着し、第２主面上には導電性オーミック電極１１を形成する。導電性支持基板１表面に蒸着したＡｕ系金属層２と半導体エピ層１２側に蒸着したＡｕ系金属層２’の面を接合部１５で重ね合わせて密着させ、荷重を加えながら４００℃で加熱放置し、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、Ａｕ系金属層２とＡｕ系金属層２’とが接合される。
【００３６】
接合処理の後、図示しないｎ型ＧａＡｓ基板と図示しない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、露出したｐ型ＧａＰ電流拡散層８の上の全面にＡｕ系からなる金属膜を形成し、先に形成した第１のオーミック配線電極部４と重ならない位置に台座電極９を形成し、第１のオーミック配線電極部４と重ならず略相似形状に第２のオーミック配線電極部１０を形成し、台座電極９と第２のオーミック配線電極部１０を接続する接続細線パターン１４を形成する。
【００３７】
ｐ型ＧａＰ電流拡散層８はＩｎＧａＡｌＰ活性層６から発せられた光に対し透明であり、ｐ型ＧａＰ電流拡散層８の上の半導体エピ層１２全体も透けて見えるため、第１のオーミック配線電極部４を見ながら台座電極９と第２のオーミック配線電極部１０のパターン形成が可能である。
【００３８】
その後、ウエハをダイシング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。
【００３９】
このような構成とすることで、台座電極９で遮光されない部分の発光層に効率よく電流を印加し発光素子からの光取り出し効率を高めることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
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に導電性支持基板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。
【００４２】
その場合には、オーミック配線電極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、各層の材料および組成、並びにオーミック配線電極部および電流拡散層の形状等についても、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】
【００４３】
第１のオーミック配線電極部４と台座電極９および第２のオーミック配線電極部１０が互いに重ならない位置に最適化されたことで、発光された光が台座電極９と第２のオーミック配線電極部１０で遮光されることなく、効率よく外部へ取り出すことができるため、発光効率あるいは光取り出し効率を向上させることができ、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】
【００４４】
【図１】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
【図２】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上面図
【図３】従来のＩｎＧａＡｌＰ系の発光素子の例を示す概略断面図
【図４】従来のＩｎＧａＡｌＰ系の発光部と導電性基板の間に金属を介して接合する発光素子の概略断面図
【符号の説明】
【００４５】
１  導電性支持基板
２  Ａｕ系金属層
２’  Ａｕ系金属層
３  反射金属層
４  第１のオーミック配線電極部
５  ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
６  ＩｎＧａＡｌＰ活性層
７  ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
８  ｐ型ＧａＰ電流拡散層
９  台座電極
１０  第２のオーミック配線電極部
１１  導電性オーミック電極
１２  半導体エピ層
１３  発光部
１４  接続細線パターン
１５  接合部
１００  発光素子
【図１】
2007258326.tif 000003
【図２】
2007258326.tif 000004
【図３】
2007258326.tif 000005
【図４】
2007258326.tif 000006