(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を形成すべく第１導電形層および第２導電形層を含む半導体層が積層される半導体積層部からなる発光部と、前記半導体層積層部の一部の半導体層が除去されて露出する第１導電形層に不純物の導入により順次形成される第２導電形領域および第１導電形領域からなるダイオード部と、前記露出する第１導電形層上に前記第２導電形領域に跨るように設けられる電極、および前記半導体積層部の第２導電形層と前記ダイオード部の第１導電形領域にそれぞれ接続される電極、とが同一の基板上に形成されてなる半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体積層部の第２導電形層と前記ダイオード部の第１導電形領域との電気的接続が、前記半導体層上に設けられる絶縁膜上の配線により行われてなる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記半導体積層部の第２導電形層と前記ダイオード部の第１導電形領域にそれぞれ接続される電極が前記ダイオード部の第１導電形領域に設けられてなる請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体積層部の第２導電形層と前記ダイオード部の第１導電形領域にそれぞれ接続される電極が前記半導体積層部の第２導電形層および前記ダイオード部の第１導電形領域にそれぞれ設けられ、ワイヤボンディングによりそれぞれの電極が接続される請求項１記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、発光素子チップに逆方向電圧が印加される場合にも発光素子チップがその逆方向電圧により破壊しないように保護素子が設けられている１チップ型の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体発光素子は、ｐ形層とｎ形層とが直接接合するｐｎ接合、またはその間に活性層が挟持されるダブルヘテロ接合の構造になっており、ｐ形層とｎ形層との間に順方向の電圧が印加されることにより、ｐｎ接合部または活性層でキャリアが再結合して発光する。
【０００３】
このような半導体発光素子で、たとえば青色系の光を発光する発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップという）は、たとえば図９（ａ）に示されるような構造になっている。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さく発光波長を定める材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層（発光層）２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とがそれぞれ積層され、その表面にｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられることにより形成されている。なお、ｎ形層２３およびｐ形層２５はキャリアの閉じ込め効果を向上させるため、活性層２３側にＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体層が用いられることがある。
【０００４】
このようなＬＥＤチップは、図９（ｂ）に等価回路図が示されるように、ダイオード構造になっているため、逆方向の電圧が印加されても電流が流れない整流作用を利用して、直流電圧を両電極間に印加しないで交流電圧を印加することにより、交流で順方向電圧になる場合にのみ流れる電流を利用して発光させる使用方法も採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常の半導体発光素子は、電極間に１〜４Ｖ程度の電圧が印加されて発光する。しかし、発光素子として用いられるＧａＡｓ系やＧａＰ系やチッ化ガリウム系などの化合物半導体では、逆方向に印加される電圧に対して弱く、半導体層が破壊することがある。とくに、チッ化ガリウム系化合物半導体においては、その逆耐圧が５Ｖ程度と低く、しかもそのバンドギャップエネルギーが大きいため、ＧａＡｓ系などを用いた発光素子より動作電圧が４Ｖ程度と高くなる。そのため、交流電圧が印加されたり、外部からサージなどにより逆方向の電圧が印加されると、半導体発光素子が破損したり、その特性が劣化するという問題がある。
【０００６】
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、半導体発光素子のｐ側電極とｎ側電極に対し、逆方向の電圧が印加されても破壊し難い、１チップで小形の半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、発光部に保護素子が付加される場合の具体的な構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、発光層を形成すべく第１導電形層および第２導電形層を含む半導体層が積層される半導体積層部からなる発光部と、前記半導体層積層部の一部の半導体層が除去されて露出する第１導電形層に不純物の導入により順次形成される第２導電形領域および第１導電形領域からなるダイオード部と、前記露出する第１導電形層上に前記第２導電形領域に跨るように設けられる電極、および前記半導体積層部の第２導電形層と前記ダイオード部の第１導電形領域にそれぞれ接続される電極、とが同一の基板上に形成されている。
【０００９】
この構造にすることにより、発光部のダイオード極性と保護素子となるダイオード部のダイオード極性が逆方向で並列に接続されたものが１チップで形成される。そのため、そのまま従来のように発光素子ランプやチップ型発光素子に組み込まれ、しかも発光部に逆方向の電圧が印加されるときはダイオード部に対しては順方向になるため、ダイオード部を介して電流が流れて発光部に逆方向の高電圧は印加されない。
【００１１】
前記半導体積層部の第２導電形層と前記ダイオード部の第１導電形領域との電気的接続が、前記半導体層上に設けられる絶縁膜上の配線により行われることにより、接続を簡単で、しかも確実に行うことができる。さらに、それぞれの半導体層（領域）にワイヤボンディング用の電極（パッド）を設けてワイヤボンディングをしなくても電気的に接続することができるため、製造が簡単になると共にチップを小形化することができる。しかし、各々に電極（パッド）を設けてワイヤボンディングにより電気的に接続してもよい。
【００１２】
前記半導体積層部の第２導電形層と前記ダイオード部の第１導電形領域にそれぞれ接続される電極が前記ダイオード部の第１導電形領域に設けられることにより、発光部にワイヤボンディング用の電極を設ける必要がなく、発光層で発光する光を遮ることなく放射させることができるため、外部に取り出せる光の割合である外部発光効率が向上する。
【００１４】
前記発光素子部がチッ化ガリウム系化合物半導体であれば、とくに逆電圧に弱く、また順方向でも高電圧の印加に弱いチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる半導体発光素子において、逆電圧やサージなどに対して保護されるため好ましい。ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【００１６】
本発明の半導体発光素子は、その一実施形態の断面説明図が図１に示されるように、同一の基板（図では薄く書かれているが、実際には半導体層より厚い）３１上に発光部３と保護素子としてのダイオード部（以下、保護ダイオード部という）５とが形成され、発光部３のｐ形層３５と保護ダイオード部５のｎ形領域５３とがそれぞれｐ側電極３８および負電極５９を介して電気的に接続され、発光部３のｎ形層３３と保護ダイオード部５のｐ形領域５５とがそれぞれｎ側電極３９および正電極５８を介して電気的に接続されている。そしてこれらの接続された端子１、２の間に電圧が印加される。本発明の半導体発光素子は、このように発光部３と共に保護ダイオード部５が１チップで形成されている。なお、半導体層の電気的接続は、半導体チップの状態で配線により接続されていてもよいし、半導体チップの状態ではそれぞれの半導体層に電極が設けられ、リードなどにボンディングされた後に、ワイヤボンディングにより接続されてもよい。
【００１７】
発光部３は、たとえばサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）などからなる基板３１上にＧａＮとＡｌＧａＮ系化合物半導体の積層構造からなるｎ形層３３、ｎ形層（クラッド層）よりバンドギャップエネルギーが小さい材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層３４、ＡｌＧａＮ系化合物半導体およびＧａＮの積層構造からなるｐ形層３５がそれぞれ積層され、図示しない電流拡散層を介してｐ側電極３８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出したｎ形層３３にｎ側電極３９が設けられることにより形成されている。
【００１８】
保護ダイオード部５は、前述の発光部３を形成するため積層された半導体層の表面側のｐ形層をダイオードのｐ形領域５５とし、その上にさらにエピタキシャル成長されたｎ形半導体層の一部をエッチングして残存した部分をｎ形領域５３とし、それぞれの領域に正電極５８および負電極５９が設けられることにより形成されている。この保護ダイオード部５は、図１に示される例のように、発光部３と同じ半導体材料、すなわちチッ化ガリウム系のような化合物半導体で構成すると、一般にはその順方向電圧（電流が流れ始める電圧で、半導体の種類などにより定まる）が高くなる。後述する保護ダイオード部５の作用からいえばこの順方向電圧が低い方がよい。この保護ダイオード部５の順方向特性は、保護される発光部の逆耐圧特性により決定され、保護ダイオード部５の順方向電圧が発光部の保護しようとする逆方向電圧より低い電圧になるように形成される。
【００１９】
チッ化ガリウム系化合物半導体を用いて順方向電圧を低くするためには、キャリア濃度が大きくなるような不純物、たとえばＳｉ、Ｓｅなどを高濃度にドーピングすることにより、チッ化ガリウム系化合物半導体を用いても順方向電圧を２.５Ｖ程度に小さくすることができ、半導体層の劣化や破壊を防止することができる。保護ダイオード部５の順方向電圧をさらに小さくするためには、シリコンなどの半導体層を堆積して保護ダイオード部を形成してもよい。しかし、発光部と同じ半導体材料を用いても、順方向電圧を発光部の駆動電圧より低くすることができ、交流電圧の印加に対して逆方向電圧の印加による劣化を防止することができる。また、これらの化合物半導体もしくはシリコン半導体を堆積してツェナーダイオードを形成することもできる。
【００２０】
このように形成された発光部３および保護ダイオード部５は、図２に等価回路図が示されるように、両端子１、２間に発光部３のダイオードＬＥＤと、保護ダイオード部５のダイオードＤとがその極性が逆で並列に接続された構造になっている。そのため、両端子１、２の間に交流が印加された場合、発光部のダイオードＬＥＤに順方向の電圧となる位相のときは、保護ダイオードＤには逆方向になるため電流が流れず、ＬＥＤに電流が流れて発光する。発光部のＬＥＤに逆方向の電圧となる位相のときは、保護ダイオードＤが順方向となって電流が流れ、ＬＥＤには電流が流れない。すなわち、通常の発光素子であればその逆方向電圧が完全に発光素子の両端にかかり、発光素子はその電圧に耐えなければならないが、本発明の発光素子によれば、逆方向の電圧の位相のときはその電圧が保護ダイオードＤの順方向電圧以上になれば保護ダイオードＤを介して電流が流れ、ＬＥＤには保護ダイオードＤの順方向電圧以上の逆方向の電圧がかからない。その結果、発光部のＬＥＤには無用の逆方向電圧が印加されず、半導体層を劣化させたり、破損に至らしめることがない。
【００２１】
つぎに、図１に示される半導体発光素子の製法について、図３に示される製造工程図を参照しながら説明をする。
【００２２】
まず、図３（ａ）に示されるように、たとえばサファイアからなる基板１上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスに反応ガスおよびドーパントガスを導入して、ＧａＮからなる低温バッファ層を介してｎ形のＧａＮ層およびＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｎ形層３３を１〜５μｍ程度、ＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層３４を０.０５〜０.３μｍ程度、ＡｌＧａＮ系化合物半導体層およびＧａＮ層からなるｐ形層３５を０.２〜１μｍ程度、さらにＧａＮからなるｎ形半導体層５０を０.２〜１μｍ程度それぞれ積層する。なお、シリコンを積層する場合は、反応ガスとしてシラン（ＳｉＨ4 ）を用いればよい。
【００２３】
つぎに、図３（ｂ）に示されるように、保護ダイオードのｎ形領域５３を形成すべく、発光部の形成部および保護ダイオード部の一部のｎ形半導体層５０を、たとえば塩素ガスを主体とする反応性イオンエッチングによりエッチング除去する。
【００２４】
その後、図３（ｃ）に示されるように、発光部の積層された半導体層の一部を、前述と同様の反応性イオンエッチングによりエッチングしてｎ形層３３を露出させる。その後、発光部のｐ形層３５上にＮｉおよびＡｕをそれぞれ蒸着して熱処理することにより、２〜１００ｎｍ程度の厚さの電流拡散層（図示せず）を形成し、図１に示されるように、たとえばＴｉ／Ａｕの積層構造からなるｐ側電極３８およびＴｉ／Ａｌの合金からなるｎ側電極３９および正電極５８、負電極５９をそれぞれ形成する。
【００２５】
図１に示される例では、保護ダイオード部５がｐ形領域５５とｎ形領域５３との積層構造になっているが、このような積層構造でダイオードを形成する場合、ｎ形領域５３の半導体層をエピタキシャル成長する前に、活性層と同様のバンドギャップエネルギーの小さい、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長することにより、発光部３と同様のダブルヘテロ接合構造のダイオードを形成することができる。このようなダブルヘテロ接合構造にすることにより、順方向電圧が低く特性のよい保護ダイオード部５を形成することができる。とくに、発光部３が、チッ化ガリウム系化合物半導体層からなる場合には、ダイオードの順方向電圧が高くなるため、ダブルヘテロ接合にすることが、順方向電圧が下がり好ましい。その結果、発光部への逆電圧の印加を低くすることができる。
【００２６】
図４は本発明の半導体発光素子の別の実施形態を示す断面説明図である。この例は、保護ダイオード部５のｐ形領域５５およびｎ形領域５３がｎ形層３３に拡散などにより形成されており、発光部３のｎ側電極と保護ダイオード部５の正電極が共通に設けられて共通電極８９になっていることに特徴がある。すなわち、図１に示される場合と同様に、サファイアからなる基板３１上にｎ形層３３、活性層３４、ｐ形層３５が積層され、その積層された半導体層の一部がエッチングにより除去され、露出したｎ形層３３の表面にｐ形不純物が拡散またはイオン注入などにより導入されてｐ形領域５５が形成され、さらにｐ形領域５５中にｎ形不純物が拡散またはイオン注入などにより導入されてｎ形領域５３を形成することによりｐｎ接合のダイオードを形成して、保護ダイオード部５としているものである。そして、ｎ形層３３およびｐ形領域５５の両方に跨るように共通電極８９を設けることにより、発光部３のｎ側電極と保護ダイオード部５の正電極とを共通化している。その他の発光部３に関しては、図１に示される例と同じで、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２７】
図４に示される半導体発光素子の製法について、図５の製造工程図を参照しながら説明をする。まず、前述の図３（ａ）の半導体層の積層と同様に、基板３１上にｎ形層３３、活性層３４、およびｐ形層３５をそれぞれ前述と同じ材料で、同じ厚さに形成し、図５（ａ）に示されるような積層構造にする。
【００２８】
つぎに、図５（ｂ）に示されるように、発光部のｎ側電極の形成部および保護ダイオード部の形成部において、前述の積層された半導体層３３〜３５を反応性イオンエッチングにより除去してｎ形層３３を露出させる。
【００２９】
その後、マスキングをして図５（ｃ）に示されるように、拡散またはイオン注入法により、Ｍｇ、Ｚｎなどのｐ形不純物を導入してｐ形領域５５を形成し、さらにｐ形領域５５内にマスキングをしてＳｉ、Ｓｅなどのｎ形不純物を同様に導入してｎ形領域５３を形成する。その後、前述と同様に電極を形成することにより、図４に示される半導体発光素子のチップが得られる。この電極の形成の際に、図４に示されるように、ｎ形層３３とｐ形領域５５の両方に跨るようにパターニングをすることにより、両者の共通電極８９を形成することができる。
【００３０】
図４に示される例によれば、発光部３のｎ側電極と保護ダイオード部５の正電極とを共通化しているため、電極の形成個数を減らすことができる。そのため、発光部３のｎ側電極の形成場所を少なくすることができ、同じチップの大きさに対して発光領域を広くすることができる。その結果、輝度を向上させることができるか、またはチップの大きさを小さくすることができる。
【００３１】
図６〜７は発光部３のｎ形層３３およびｐ形層３５と保護ダイオード部５のｐ形領域５５およびｎ形領域５３とのそれぞれの電気的接続の例を示している。すなわち、図６においては、半導体層が積層されると共に各電極も設けられて発光部３および保護ダイオード部５が形成された後に、その表面にＳｉＯまたはＳｉＮなどの絶縁膜８０が設けられ、各電極上にコンタクト孔を設けて再度Ａｌなどを蒸着してパターニングをすることにより、配線８１でｎ側電極３９と正電極５８とが電気的に接続されているものである。なお、ｐ側電極３８と負電極５９との接続はそれらに接続されるパッド部８３、８４のみしか示されていないが、ワイヤボンディングで接続されてもよいし、つぎに説明する図７に示されるように、チップの外周で配線により接続されてもよい。なお、図１と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３２】
図７には、図６と同様に配線８１、８２により発光部３のｎ形層３３およびｐ形層３５と保護ダイオード部５のｐ形領域５５およびｎ形領域５３との電気的接続を行う例の平面説明図が示されている。この配線は、図６に示されるように、絶縁膜８０を介してＡｌなどの配線により行われる。このような配線により電気的接続を行うことにより、すべてに電極（パッド）を形成しなくてもコンタクト孔を介した小さな面積で電気的接続をすることができる。そのため、外部とのワイヤボンディングによる接続のための電極は、配線のいずれかの部分に設けられればよい。その結果、図７に示されるように、発光部３側には電極を形成しないで、保護ダイオード部５の上部に発光部３のｐ側電極３８およびｎ側電極３９を設けることができる。そうすることにより、発光部３の発光面に光を遮る電極が形成されず、光の遮断は配線の狭い部分だけであるため、外部に取り出される光の効率である外部発光効率が向上する。なお、図７において、破線で従来のｐ側電極部およびｎ側電極部が示されているが、この例ではこれらの領域も発光領域として使用できる。図７においても図１または図６と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
図８は、ｐ形層３５、ｎ形層３３、ｎ形領域５３、およびｐ形領域５５にそれぞれ電極３８、３９、５９、５８が設けられ、それぞれが外部でワイヤボンディングされることにより電気的に接続される場合の電極パターンの例が示されている。図８（ａ）に示される例は、図１と同様に、保護ダイオード部５のｎ形領域５３とｐ形領域５５が発光部３と結ぶ方向に設けられ、各電極３８、３９、５８、および５９がそれぞれ一直線上に並ぶように設けられている例で、図８（ｂ）は発光部３と結ぶ方向と直角方向にｎ形領域５３およびｐ形領域５５が設けられ、ｎ側電極３９が発光部の片隅に形成される例である。図８においても他の図と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３４】
前述の各例では、発光部としてＧａＮとＡｌＧａＮ系化合物半導体からなるｎ形層およびｐ形層と、ＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層の積層構造のものであったが、この構造のものに限定されず、他のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた発光部、ＧａＡｓ系や、ＧａＰ系化合物半導体など他の半導体材料を用いた発光部についても同様である。さらに、ｎ形層とｐ形層とで活性層を挟持したダブルヘテロ接合構造に限定されることはなく、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造の発光部でも同様である。
【００３５】
さらに、前述の各例では、保護ダイオード部も通常のダイオードの形成であったが、ツェナーダイオードを形成することができる。ツェナーダイオードを形成することにより、サージなどにより発光部に対して順方向の大きな静電気が印加された場合でも、その静電気は、ツェナーダイオードを介して放電され、ＬＥＤチップには過大電圧は印加されない。その結果、順方向に大きな電圧が印加されてもＬＥＤチップ３が破損することがなく、外部からのサージに対しても充分に保護される。なお、この場合、ツェナー電圧は保護すべき電圧（破壊する可能性のある電圧）より低い電圧で決定される。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、発光部に極性が逆方向のダイオード部が並列に接続されているため、発光部に逆方向の電圧が入力されても逆方向電圧により破損したり、特性が劣化したりすることがない。その結果、とくに逆耐圧に弱いチッ化ガリウム系化合物半導体を用いる半導体発光素子であっても、交流駆動に対して何等差し支えがなく使用勝手がよいと共に、半導体発光素子の信頼性が向上する。
【００３７】
また、本発明では１個の半導体チップで形成されているため、リード上にそのままダイボンディングをしてワイヤボンディングをしたり、端子電極を両端に有する絶縁基板上にボンディングして接続するだけで逆電圧に対して保護機能を有するランプ型やチップ型の半導体発光素子が得られる。
【００３８】
さらに、本発明によれば、発光部上にワイヤボンディング用の電極（パッド）を設けなくてもよいため、光の遮断が少なく、発光部としては小形で高輝度の半導体発光素子となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面説明図である。
【図２】図１の発光部と保護ダイオード部の接続関係の等価回路図である。
【図３】図１の半導体発光素子の製造工程を示す断面説明図である。
【図４】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の断面説明図である。
【図５】図４の半導体発光素子の製造工程を示す断面説明図である。
【図６】本発明の半導体発光素子の発光部と保護ダイオード部の接続例を示す断面説明図である。
【図７】本発明の半導体発光素子の発光部と保護ダイオード部の接続例を示す平面説明図である。
【図８】保護ダイオード部および電極パターンの変形例を示す図である。
【図９】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図である。
【符号の説明】
３    発光部
５    保護ダイオード部
３１    基板
３３    ｎ形層
３５    ｐ形層
５３    ｎ形領域
５５    ｐ形領域
【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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【図８】
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【図９】
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