(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層が順次設けられ、素子表面より、該第１導電型半導体層に接続する第１ボンディング電極が設けられ、該第２導電型半導体層表面の概略全面に、第２ボンディング電極が設けられることにより、該第２ボンディング電極直下に発光部が形成されている発光素子において、
該基板は発光に対して透明であり、該第２ボンディング電極は、ボンディングのための実質最小限のサイズに形成されており、さらに、該第２ボンディング電極周囲の３方向に素子側面が配置されていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
基板上に、少なくとも、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層が順次設けられ、素子表面より、該第１導電型半導体層に接続する第１ボンディング電極が設けられ、該第２導電型半導体層表面の概略全面に、第２ボンディング電極および該第２ボンディング電極に接続した第２透明電極が設けられることにより、該第２ボンディング電極および該第２透明電極直下に発光部が形成されている発光素子において、
該基板は発光に対して透明であり、該第２ボンディング電極は、ボンディングのための実質最小限のサイズに形成されており、さらに、該第２ボンディング電極周囲の３方向に素子側面が配置されていることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
外形が長方形である請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
基板の厚みは８０〜４００μｍの範囲である請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項５】
第１ボンディング電極、第２透明電極、第２ボンディング電極が順次一列に並んで配置されている請求項２〜４のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項６】
上記第１導電型半導体層が、１層以上のＩＩＩ族元素窒化物半導体で構成されており、さらに、上記第２導電型半導体層が、１層以上のＩＩＩ族元素窒化物半導体で構成される請求項１〜５のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項７】
第２ボンディング電極のサイズが１００μｍ角〜２００μｍ角である請求項１〜６のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項８】
第２ボンディング電極の周囲３方向の側面が素子側面の一部を構成する請求項１〜７のいずれか１つに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＤ素子の構造に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮまたはこれらの混晶に代表される窒化物半導体材料により、紫外から可視領域で発光するＬＥＤ等の半導体発光素子が実現されている。これらのＬＥＤ素子では、基板として、主に絶縁体であるサファイアが用いられているので、通常の発光素子とは異なって、素子表面よりｐｎ両電極を取る必要があり、そのための種々の構造が提案されてきた。以下に、このような従来の技術に基づく、窒化物半導体材料を用いた発光素子を示す。
【０００３】
図７は、従来の技術の発光素子を示す図で、（ａ）は平面図（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。図において、１はサファイア基板、２はｎ−ＧａＮ層、３はＩｎＧａＮ発光層、４はｐ−ＧａＮ層、５はｎボンディング電極、６はｐ透明電極、７はｐボンディング電極、８はボール、９はボンディングワイヤである。素子表面よりｐｎ両電極を取る構造では、電流が基本的に、表面に平行な方向に流れるので、表面に平行である発光層を、電流が均一に横切らず、よって、図７においてメサ状に形成されている発光部において、発光強度の分布を生じやすかった。これを改善するために、ｐ電極を発光部のほぼ全面に渡って形成すれば良いが、不透明な電極で発光部を覆うと発光の取り出しが妨げられるので、本構造では、ｐ電極を透明にしている。ただ、電極を透明とするためには、厚さ１０ｎｍ程度のごく薄い金属膜にせざるを得ず、このような膜にワイヤーボンディングを行うことが困難なので、ｐ電極の一部を、十分に厚い金属膜で構成された不透明なボンディング電極７としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、以下に記載するような問題点があった。
【０００５】
図７の素子においては、発光を素子上面より取り出せるような工夫を行っているものの、不透明なｐボンディング電極直下での発光に関しては、透明電極から取り出しにくい。すなわち、透明電極を設けても、ｐボンディング電極直下での発光の取り出し改善にはつながらない。本発明者の実験的知見によれば、不透明な電極直下の発光は素子側面から有効に取り出され得るにもかかわらず、上記従来の技術においては、そのための手立てが十分に講じられておらず、結果として、光取り出し効率が必ずしも満足の行くものではなかった。
【０００６】
本発明は、発光素子におけるボンディング電極の配置などを適切に設定することにより、本問題点を解消するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１における発光素子は、基板上に、少なくとも、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層が順次設けられ、素子表面より、該第１導電型半導体層に接続する第１ボンディング電極が設けられ、該第２導電型半導体層表面の概略全面に、第２ボンディング電極が設けられることにより該第２ボンディング電極直下に発光部が形成され、さらに、該基板は発光に対して透明であり、該第２ボンディング電極は、ボンディングのために概略最小限のサイズに形成されており、該第２ボンディング電極周囲の少なくとも３方向に素子側面が配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２における発光素子は、基板上に、少なくとも、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層が順次設けられ、素子表面より、該第１導電型半導体層に接続する第１ボンディング電極が設けられ、該第２導電型半導体層表面の概略全面に、第２ボンディング電極および該第２ボンディング電極に接続した第２透明電極が設けられることにより、該第２ボンディング電極および該第２透明電極直下に発光部が形成され、さらに、該基板は発光に対して透明であり、該第２ボンディング電極は、ボンディングのための実質最小限のサイズに形成されており、さらに、該第２ボンディング電極周囲の３方向に素子側面が配置されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項３における発光素子は、外形が長方形である。
【０００９】
好ましくは、本発明の請求項２または３における発光素子において、第１ボンディング電極、第２透明電極、第２ボンディング電極が順次一列に並んで配置されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の発光素子は、上記第１導電型半導体層が、１層以上のＩＩＩ族元素窒化物半導体で構成されており、さらに、上記第２導電型半導体層が、１層以上のＩＩＩ族元素窒化物半導体で構成されているのもよい。
また、本発明の発光素子は、基板の厚みは８０〜４００μｍの範囲であるのもよい。
また、本発明の発光素子は、第２ボンディング電極のサイズが１００μｍ角〜２００μｍ角であるのもよい。
また、本発明の発光素子は、第２ボンディング電極の周囲３方向の側面が素子側面の一部を構成するのもよい。
【００１３】
なお、本明細書において、半導体の導電型もしくは電極に冠せられている第１あるいは第２という表現は、一般にｐ、ｎもしくはｉの記号で表される導電型を示しているものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明に基づいた青色発光素子の、素子形状を示す図で、（ａ）は平面図（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。図において、１００は発光素子、１０１はサファイア基板、１０２はｎ型ＧａＮ層、１０３はＩｎＧａＮ発光層、１０４はｐ型ＧａＮ層、１０５はｎボンディング電極、１０６はｐ透明電極、１０７はｐボンディング電極、１０８はボール、１０９はボンディングワイヤである。平面図に示されるように、本素子においては、ｎボンディング電極１０５、ｐ透明電極１０６、ｐボンディング電極１０７を、一列に並べるように、配置した。なお、図１平面図においては、見やすくするために、１０８および１０９が表示されない。基板であるサファイアは、可視光をほとんど吸収せず、本発光素子の発光波長において透明である。
【００１５】
このような発光素子の製造方法を、以下に述べる。
【００１６】
厚さ３００μｍのサファイア基板上１０１に、ｎ型ＧａＮ層１０２、ＩｎＧａＮ発光層１０３、ｐ型ＧａＮ層１０４を順次積層する。その後、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用い、ウェハー表面よりｎ型ＧａＮ層の途中まで、ｎボンディング電極１０５を形成する部分を除去する。
【００１７】
次いで、ｐ型ＧａＮ層１０４上に、ｐ透明電極１０６を形成する。電極材料としては、例えば、Ｎｉ／ＡｕあるいはＰｄ／Ｐｔ等を用いればよい。これを光透過性とするために、極薄膜とする必要があり、具体的には、総膜厚１５ｎｍ程度に抑えれば良い。
【００１８】
また、ｎ型ＧａＮ層１０２上に接するように、ｎボンディング電極１０５を形成する。電極材料としては、例えば、Ａｌ、Ｔｉ／ＡｕあるいはＷ／Ａｕ等を用いればよい。これは、ボンディングが容易なように、厚めにすることが望ましく、例えば、総膜厚１μｍ程度以上にすればよい。
【００１９】
さらに、ｐ透明電極１０６に接するように、ｐボンディング電極１０７を形成する。これは、ボンディングが容易なように、ＡｕあるいはＡｌ等の金属材料を用い、膜厚１μｍ程度以上と厚めに形成すればよい。このようなｐボンディング電極１０７は、極薄金属膜であるｐ透明電極１０６にワイヤボンディングを行うことが困難なために、特に設けられたものである。発光層上に存在する不透明なｐボンディング電極１０７のサイズは、発光の取り出しを考慮して最小限とすることが必要である。現状のワイヤボンディング工程では、製造上の余裕も考慮して、１００〜２００μｍφ程度のサイズが必要であり、本実施の形態においては、ｐボンディング電極１０７のサイズを２００μｍ角とした。また、ｐ透明電極１０７の、上から見えている領域（平面図に現れている領域）のサイズを１５０μｍ角とした。
【００２０】
以上の工程は、公知のごとく、ウェハー上に多数の素子を並べて一括してなされるものである。図２は、図１の発光素子が、ウェハー上に多数並べられている様子を、その一部を取り出して示す平面図である。１００で示した単位が一素子に対応する。図示されるように、本実施の形態においては、ｐボンディング電極同士およびｎボンディング電極同士が、それぞれ横に並ぶように、各素子が配置される構成とした。
【００２１】
それから、各素子を分割する前に、ウエハー上で、発光素子の特性検査が実施される。これは、ｐボンディング電極と、ｎボンディング電極に、プローブを当て、電流を適宜流して、素子電圧や発光強度などの特性に所要のものが得られているかを検査する工程である。本実施の形態においては、図２に示した如く、発光素子４単位ずつ、各ボンディング電極がつながるように形成されているので、４素子ずつまとめて検査が可能である。また、本実施の形態に示した発光素子の製造方法によれば、従来例の発光素子とは異なり、プローブを当てるべき各ボンディング電極が一列に連続して並んでいるために、各素子を検査する際、ウェハー上でプローブをボンディング電極に沿って移動させれば、誤って透明電極を傷つけることがなく、また、プローブから透明電極上にゴミが落ちることも少なくなり、製造歩留まりが向上する。さらに、図２における縦方向には、素子の各部分を構成するためのマスク合わせの厳密性が要求されないので、この点からも、製造が容易になる。
【００２２】
その後の工程で、図２に示される各素子は、ひとつひとつ切り離される。切り離された各素子は、コレット（真空吸着具）でつかみ上げられて、適宜搬送されるが、その際、本発明の発光素子においては、素子の両端の部分のみが接触するようなコレットを用いれば、素子の両端を固定するので、安定した搬送が可能にあり、また、素子の両端には、ボンディング電極のみが存在するので、表面の光取り出し部分が傷つくこともない。これは、ｎボンディング電極、ｐ透明電極、ｐボンディング電極が順次一列に配置されることによって、素子の両端にはボンディング電極のみが配置されている本発明の発光素子独特の効果である。
【００２３】
それから、図１に示されていない適当な台座に素子が固定されたのち、ｎボンディング電極１０５およびｐボンディング電極１０７上にワイヤ１０９がボンディングされる。ボンディングの際、ワイヤの先端にはボール１０８が形成されており、これにより、強固なワイヤボンディングが完成する。
【００２４】
本発明の発光素子においては、図１平面図に示されるように、ｐボンディング電極の周囲前後左右４方向のうち３方向（図１において紙面、前・後・左）は、素子の側面となっている。すなわち、３方向で、発光部および発光に対して透明な基板の側面が露出している。これにより、従来の発光素子では、不十分であった、ｐボンディング電極直下での発光の外部への取り出しが、十分に得られるようになる。
【００２５】
図３および図４は、このような効果を確認するための実験内容と結果を説明するための図である。実験では、本発明の発光素子のように、ｐボンディング電極の周囲３方向が素子側面となっている発光素子と、従来例の発光素子のように、ｐボンディング電極の周囲２方向（図７において紙面、後・左）が素子側面となっている発光素子とで、同一の電流を注入したときの発光強度の違いを比較した。また、それぞれ、電流密度を同一にしたうえで、発光部の面積を変化させて比較も行った。
【００２６】
図３の左側の列は、ｐボンディング電極の周囲３方向が素子側面となっている発光素子である。ｐボンディング電極の面積を１として、発光部の面積（ｐボンディング電極およびｐ透明電極の面積の和）が１、２、３である時の、３通りの素子を表している。例えば、発光部の面積が１の素子は、透明電極が形成されていない素子であり、２の素子は、ｐボンディング電極と同面積の透明電極が形成されている素子であることを示している。また、右側の列は、ｐボンディング電極の周囲２方向が素子側面となっている発光素子である。発光部の面積については、上記と同様である。本実験では、ｐボンディング電極の大きさを２００μｍ角、サファイア基板の厚さを３００μｍに固定した。また、面積１あたり、１０ｍＡの電流を注入した。
【００２７】
図４に、図３に示した各発光素子の発光強度を相対的に示した。図から明らかなように、いずれの発光部面積においても、３方向が素子側面となっている方が、発光強度が大きかった。この結果から、透明電極をたとえｐボンディング電極に隣接して設けても、ここからｐボンディング電極直下での発光を取り出すことは困難であり、取り出し向上のためには、ｐボンディング電極の周囲をなるべく素子側面とすることが必要であることが明らかになった。このような事実は、従来正確に認識されていなかったものであり、当実験に基づいて、初めて本発明者により指摘され得たものである。なお、上記効果は、基板が発光に対して不透明である発光素子では、顕著に表れなかった。なぜなら、このような素子では、基板およびその上に積層された半導体層内部で発光の吸収が生じるので、ｐボンディング電極直下での発光は、いずれにせよ、ほとんど外部に取り出せないためだと考えられる。しかしながら、透明基板を用いた場合には、基板の側面が、ｐボンディング電極の周囲にあれば、ｐボンディング電極直下での発光を、基板側面を通じて取り出すことが可能になるのである。なお、図４の結果は、基板の厚さが８０〜４００μｍ以上の範囲ではほとんど変化せず、また、ｐボンディング電極の適切な範囲１００〜２００μｍでもほとんど変化しなかった。
【００２８】
また、ｐボンディング電極の大きさについては、当然に小さいほうが望ましいが、ボンディングに必要な面積は確保する必要がある。しかしながら、発光部の大きさは、注入電流密度が過大にならないように、適切に設定される必要がある。なぜなら、注入電流密度が過大であると、発熱により効率が低下したり、素子寿命に悪影響を与えたりするためである。このような、ジレンマを解消するために、発光部を覆うように形成されるｐ電極のうち、ボンディングに必要な部分以外をｐ透明電極とし、適切な発光部面積を確保するようにした。また、このような透明電極は、ｐボンディング電極の一辺にのみ隣接して設け、ｐボンディング電極直下での発光の取りだしを妨害しないように考慮した。
【００２９】
以上のように、本実施の形態の発光素子によれば、ｐボンディング電極の面積を、必要最小限にし、３方向を素子側面とすることで、ｐボンディング電極直下の発光が素子外部に取り出すことができるようになり、素子の発光効率が従来と比較して、良好になることが判明した。
【００３０】
また、本実施の形態の発光素子においては、各半導体層に、ＩＩＩ族元素窒化物半導体を用いたので、可視領域での発光する良好な特性の発光素子が得られた。
【００３１】
本実施の形態においては、ｎボンディング電極、ｐボンディング電極の形状を図１に示されるように、概略正方形としたが、これは、外形が長方形である素子上に無駄のないように配置し、また、ボンディングに必要な領域を確保しつつ、面積が小さくなることを鑑みて形成したものである。この趣旨を逸脱しない範囲で、若干変形しても、効果に違いがあるものではない。たとえば、正方形の一部もしくは全部の角に丸みを帯びるような形状にしてもよく、多角形あるいは半円形あるいは円形にするなどの変形も適宜可能である。
【００３２】
また、本実施の形態においては、発光部の形状を概略正方形としたが、これも同様に、適宜変更され得るものである。
【００３３】
また、図２において、並べられた素子は、各列とも同じ向きとなるように配置されているが、これは、例えばひとつおきに、向きを変えて配置しても良く、この場合、ｎボンディング電極部およびｐボンディング電極を隣の列と一体化して作製できる。また、図２においては、各ボンディング電極が４つずつ繋がった例を示したが、これは、状況に応じて、変更され得るものである。
【００３４】
さらに、図２において、１１０で示した様に素子を切り出せば、通常の２倍の発光面積を有する発光素子を得ることができる。このように、本実施の形態に示した発光素子の製造方法によれば、一つのウェハーから、異なる発光面積を有する発光素子を、製造工程の一部を変更するのみで得ることができるという、副次的な効果も奏する。
【００３５】
〔実施の形態２〕
図５は、本発明の実施の形態２における、緑色発光素子の、素子形状を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。本実施の形態の発光素子は、実施の形態１の発光素子の変形例である。図における各符号の示す要素は、図１と同じである。図１と異なる点は、ｐボンディング電極が、素子側面から若干内側に入って形成されていることである。本実施の形態においては、ｐボンディング電極の３方向は、素子側面から３０μｍ内側に入って形成した。このような構成としても、ｐボンディング電極直下の発光が素子側面から取り出される効果には、実質的な変更が生じるものではなく、実施の形態１と同様に、本実施の形態においても、従来と比較して発光効率の良い、可視領域で発光する発光素子が得られた。
【００３６】
本実施の形態においては、サファイア基板の厚さを１００μｍ、ｐ透明電極の大きさを１００μｍ角、ｐボンディング電極の大きさを１００μｍ角とした。
【００３７】
なお、本実施の形態においても、発光部の形状等は、実施の形態１と同様の変形が可能である。
【００３８】
〔実施の形態３〕
図６は、本発明の実施の形態３における、黄緑色発光素子の、素子形状を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。本実施の形態の発光素子は、実施の形態１の発光素子の変形例である。図における各符号の示す要素は、図１と同じである。図１と異なる点は、ｐ透明電極を省略したことである。これにより、実施の形態１の形状と比較すると、発光面積が拡大できず、よって、高電流において発光効率低下等の問題が生じるような、特性の劣る発光素子しか得られないが、特に、低出力動作を目的としたＬＥＤ素子においては、低電流に限り用いられるものであるので、図６のように、簡易化した形態でも、十分使用に耐えるものが得られる。本実施の形態においても、ｐボンディング電極直下の発光が素子側面から有効に取り出されるので、低出力目的に用いられるのに、十分な特性をもつ発光素子が得られた。
【００３９】
本実施の形態においては、サファイア基板の厚さを２００μｍ、ｐボンディング電極の大きさを１５０μｍ角とした。
【００４０】
なお、本実施の形態においても、発光部の形状等は、実施の形態１に示したのと同様の変形が可能である。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について、いくつかの例を示したが、本発明の趣旨を変更しない範囲での変形が可能である。例えば、基板材料、半導体材料は上記のものに限られる訳ではなく、種々の公知材料を用いてもよい。また、透明絶縁基板の例を示したが、発光に対して透明な、導電性基板を用いても、構成が実質的に変更されるものではない。例えば、基板として、ｎ−ＳｉＣ基板などを用いることが可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の発光素子では、上記構成によって、従来有効に用いられていなかった第２ボンディング電極直下での発光を、素子側面から最大限に取り出せるようになり、発光の取り出し効率が向上する。よって、素子の発光効率が良好なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の発光素子を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の発光素子の、製造工程における、ウェハー上での配置方法を示す、平面図である。
【図３】本発明の効果を調べるための、比較実験に用いた発光素子の一覧である。
【図４】比較実験における各発光素子の発光強度を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２の発光素子を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３の発光素子を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。
【図７】従来の発光素子を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。
【符号の説明】
１００  発光素子
１０１  サファイア基板
１０２  ｎ型ＧａＮ層
１０３  ＩｎＧａＮ発光層
１０４  ｐ型ＧａＮ層
１０５  ｎボンディング電極
１０６  ｐ透明電極
１０７  ｐボンディング電極
１０８  ボール
１０９  ボンディングワイヤ
【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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