JP2006237574A - GaN-BASED LIGHT EMITTING DIODE - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、GaN系発光ダイオードに関する。更に詳しくは、p型GaN系半導体層の表面に形成されるp型オーミック電極が、窓部を有するパターンに形成され、該窓部を通して光を取り出すことができるように構成されたGaN系発光ダイオードに関する。 The present invention relates to a GaN-based light emitting diode. More specifically, a GaN-based light emitting diode configured such that a p-type ohmic electrode formed on the surface of a p-type GaN-based semiconductor layer is formed in a pattern having a window portion and light can be extracted through the window portion. About.
GaN系発光ダイオード(以下「GaN系LED」ともいう。)は、GaN系半導体からなる発光層を挟んでp型およびn型のGaN系半導体が接合されてなる、pn接合ダイオード構造を有する半導体発光素子であり、発光層を構成するGaN系半導体の組成を選択することによって、赤色〜紫外に至る光を発光させることが可能である。 A GaN-based light emitting diode (hereinafter also referred to as a “GaN-based LED”) is a semiconductor light emitting device having a pn junction diode structure in which p-type and n-type GaN-based semiconductors are joined with a light-emitting layer made of a GaN-based semiconductor interposed therebetween. By selecting the composition of the GaN-based semiconductor that constitutes the light-emitting layer of the device, light ranging from red to ultraviolet can be emitted.
GaN系半導体は、化学式AlaInbGa1−a−bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で決定される3族窒化物からなる化合物半導体であって、例えば、GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN、AlN、InNなど、任意の組成のものが例示される。また、上記化学式において、3族元素の一部をB(ホウ素)、Tl(タリウム)などで置換したもの、また、N(窒素)の一部をP(リン)、As(ヒ素)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)などで置換したものも、GaN系半導体に含まれる。 A GaN-based semiconductor is a compound semiconductor made of a group III nitride determined by the chemical formula Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1). For example, those having an arbitrary composition such as GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlN, and InN are exemplified. In the above chemical formula, a part of the group 3 element is substituted with B (boron), Tl (thallium), or the like, and a part of N (nitrogen) is P (phosphorus), As (arsenic), Sb ( Those substituted with antimony) or Bi (bismuth) are also included in the GaN-based semiconductor.
GaN系LEDは、有機金属化合物気相成長(MOVPE)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法、分子ビームエピタキシー(MBE)法等の気相成長法を用いて、サファイア等からなる結晶基板上に、n型GaN系半導体層、発光層、p型GaN系半導体層を、順に積層し、その後、n型GaN系半導体層とp型GaN系半導体層のそれぞれにオーミック電極を形成することによって製造することができる。
なお、本明細書では、素子構造を説明するうえで、基板や半導体層の厚さ方向を上下方向とも呼ぶことにし、更に、結晶基板が下側に位置し、その上にGaN系半導体層が積み重ねられるものとして、上方向と下方向とを区別する。また、上下方向と直交する方向を、横方向とも呼ぶ。また、p型GaN系半導体層を単にp型層とも呼び、n型GaN系半導体層を単にn型層とも呼ぶ。
A GaN-based LED is formed on a crystal substrate made of sapphire or the like by using a vapor phase growth method such as an organic metal compound vapor phase growth (MOVPE) method, a hydride vapor phase growth (HVPE) method, or a molecular beam epitaxy (MBE) method. , An n-type GaN-based semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type GaN-based semiconductor layer are sequentially stacked, and then an ohmic electrode is formed on each of the n-type GaN-based semiconductor layer and the p-type GaN-based semiconductor layer. be able to.
In this specification, in the description of the element structure, the thickness direction of the substrate and the semiconductor layer is also referred to as the vertical direction, and the crystal substrate is located on the lower side, and the GaN-based semiconductor layer is formed thereon. Distinguish between upward and downward as stacked. In addition, a direction orthogonal to the vertical direction is also referred to as a horizontal direction. The p-type GaN-based semiconductor layer is also simply referred to as a p-type layer, and the n-type GaN-based semiconductor layer is also simply referred to as an n-type layer.
図12は、このようにして製造されるGaN系LEDの一例を示す断面図であり、サファイア基板41の上に、n型層42、発光層43、p型層(p型クラッド層44、p型コンタクト層45)が、順次、気相成長により積層され、部分的に露出されたn型層42の表面にn型オーミック電極P41が、p型層45の表面にp型オーミック電極P42が、それぞれ形成されている。P43はp側パッド電極で、p型オーミック電極P42と電気的に接続されるよう、該p型オーミック電極P42の上に積層されている。
p型層の表面に形成されるp型オーミック電極は、該表面をできるだけ広く覆うように形成される。これは、p型GaN系半導体の導電性が低いために、p型オーミック電極から供給される電流がp型層内部で横方向には殆ど拡がらず、発光層での発光が、p型オーミック電極の下方でしか生じないからである。
そのために、p型層の表面側から光を取り出すには、p型オーミック電極を、透明な物質で形成するか、あるいは、光が通過し得る窓部を有するパターンに形成する必要がある。このうち、p型オーミック電極を窓部を有するパターンに形成する方法では、電極膜を透明に形成する必要がないので、その膜厚を適度に厚くすることにより、電極のシート抵抗を低くすることができる。p型オーミック電極のシート抵抗が低いと、電流の横方向の拡散性が良好となるので、発光層における発光強度の面内均一性が向上する。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of the GaN-based LED manufactured as described above. On the sapphire substrate 41, an n-type layer 42, a light-emitting layer 43, and a p-type layer (p-type cladding layer 44, p-type). N-type ohmic electrode P41 is formed on the surface of the n-type layer 42, and the p-type ohmic electrode P42 is formed on the surface of the p-type layer 45. Each is formed. P43 is a p-side pad electrode, and is laminated on the p-type ohmic electrode P42 so as to be electrically connected to the p-type ohmic electrode P42.
The p-type ohmic electrode formed on the surface of the p-type layer is formed so as to cover the surface as widely as possible. This is because the conductivity of the p-type GaN-based semiconductor is low, so that the current supplied from the p-type ohmic electrode hardly spreads in the lateral direction inside the p-type layer, and the light emission in the light-emitting layer is p-type ohmic. This is because it occurs only below the electrodes.
Therefore, in order to extract light from the surface side of the p-type layer, it is necessary to form the p-type ohmic electrode with a transparent material or a pattern having a window portion through which light can pass. Among these, in the method of forming the p-type ohmic electrode in the pattern having the window portion, it is not necessary to form the electrode film transparently, so that the sheet resistance of the electrode is lowered by appropriately increasing the film thickness. Can do. When the sheet resistance of the p-type ohmic electrode is low, the current diffusivity in the lateral direction is good, so that the in-plane uniformity of the light emission intensity in the light emitting layer is improved.
p型層の表面側から光を取り出す場合、p型オーミック電極に対してAuワイヤで給電するために、ワイヤボンディング用のp側パッド電極が、p型オーミック電極に接するように形成される。
図8(a)および図8(b)は、それぞれ、窓部を有するパターンに形成されたp型オーミック電極を備えた、従来のGaN系LEDの上面図である。図8(a)のGaN系LEDでは、p側パッド電極P23が、p型オーミック電極P22の窓部のない部分の上に形成されている(特許文献1)。図8(b)のGaN系LEDでは、p型オーミック電極P32がp型層35の表面全域にわたって窓部を有するパターン(格子状パターン)に形成され、p側パッド電極P33が該パターンの一部を覆って形成されている(特許文献2、特許文献3)。図8(a)の態様では、p側パッド電極P23の全体がp型オーミック電極P22の上に形成されており、p側パッド電極P23の下方での発光は全く抑制されていない。しかし、この発光は、p側パッド電極P23が障害となって、素子上方に出射され難いので、これを全く抑制しない場合、LEDの発光効率が低下する。特に、p側パッド電極P23の中央部分の下方での発光は、殆どが損失となる。
また、図8(b)の態様でも、p側パッド電極P33をAu(金)やNi(ニッケル)で形成すると、p側パッド電極P33とp型層35との接触がオーミック接触となり、p側パッド電極P33の全体の下方で発光が生じるので、図8(a)の態様における問題と同様の問題が起こる。一方、p側パッド電極P33の最下層部をTi(チタン)で形成すると、p側パッド電極P33とp型層35との接触がショットキー接触となり、p側パッド電極P33がp型層35に接する領域の下方では発光が生じない。しかし、p側パッド電極P33の下にも、他の領域と同様にp型オーミック電極P32が一様に格子状に形成されており、p側パッド電極P33の下方での発光を特に抑制していないので、上記問題は改善されない。
When light is extracted from the surface side of the p-type layer, a p-side pad electrode for wire bonding is formed in contact with the p-type ohmic electrode in order to supply power to the p-type ohmic electrode with an Au wire.
FIGS. 8A and 8B are top views of a conventional GaN-based LED including a p-type ohmic electrode formed in a pattern having a window portion, respectively. In the GaN-based LED of FIG. 8A, the p-side pad electrode P23 is formed on a portion of the p-type ohmic electrode P22 that does not have a window (Patent Document 1). In the GaN-based LED of FIG. 8B, the p-type ohmic electrode P32 is formed in a pattern (lattice pattern) having windows over the entire surface of the p-type layer 35, and the p-side pad electrode P33 is a part of the pattern. (Patent Document 2, Patent Document 3). 8A, the entire p-side pad electrode P23 is formed on the p-type ohmic electrode P22, and light emission below the p-side pad electrode P23 is not suppressed at all. However, since this light emission is difficult to be emitted above the element due to the p-side pad electrode P23 being an obstacle, the light emission efficiency of the LED is lowered when this is not suppressed at all. In particular, most of the light emission below the central portion of the p-side pad electrode P23 is a loss.
8B, when the p-side pad electrode P33 is formed of Au (gold) or Ni (nickel), the contact between the p-side pad electrode P33 and the p-type layer 35 becomes an ohmic contact, and the p-side Since light emission occurs below the entire pad electrode P33, a problem similar to the problem in the embodiment of FIG. On the other hand, when the lowermost layer portion of the p-side pad electrode P33 is formed of Ti (titanium), the contact between the p-side pad electrode P33 and the p-type layer 35 becomes a Schottky contact, and the p-side pad electrode P33 becomes the p-type layer 35. Light emission does not occur below the contact area. However, under the p-side pad electrode P33, the p-type ohmic electrode P32 is formed in a uniform lattice pattern as in the other regions, and light emission below the p-side pad electrode P33 is particularly suppressed. The above problem is not improved because there is no.
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、発光効率の改善されたGaN系LEDを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art and provide a GaN-based LED with improved luminous efficiency.
本発明は以下の特徴を有する。
(1)GaN系半導体からなる発光層に積層して形成されたp型GaN系半導体層と、該p型GaN系半導体層の表面に形成されたp型オーミック電極と、該p型オーミック電極に電気的に接続されたp側パッド電極と、を備えたGaN系発光ダイオードであって、前記p型オーミック電極は、前記発光層で生じる光が通過し得る窓部を有するパターンに形成された部分と、開口部が設けられた部分と、からなり、前記p側パッド電極は、前記開口部の内側で前記p型GaN系半導体層と接するとともに、その外周部が前記p型オーミック電極の上に重なるように形成され、それによって、該p側パッド電極と該p型オーミック電極とが重なった領域が、該p側パッド電極の輪郭線に沿った帯状かつ環状の領域となっており、前記p側パッド電極と前記p型GaN系半導体層との接触が非オーミック性とされるか、または、前記p側パッド電極が接する前記p型GaN系半導体層の表面が高抵抗化されることにより、前記p側パッド電極から前記p型GaN系半導体層に直接電流が流れないようにされている、GaN系発光ダイオード。
(2)前記p側パッド電極は、少なくとも、前記p型GaN系半導体層に接する部分が、p型GaN系半導体とショットキー接触する金属材料で形成されている、前記(1)に記載のGaN系発光ダイオード。
(3)前記p型オーミック電極にAu層が含まれており、前記p側パッド電極の、p型GaN系半導体層に接する部分には、Alで形成された部分が、該p型オーミック電極に接しないように設けられている、前記(2)に記載のGaN系発光ダイオード。
(4)前記p型GaN系半導体層の表面の、前記p側パッド電極が接する部分に、プラズマ処理が施され、それによって、該p側パッド電極から該p型GaN系半導体層に直接電流が流れないようにされている、前記(1)に記載のGaN系発光ダイオード。
(5)前記p側パッド電極は、少なくとも、前記p型GaN系半導体層に接する部分が、白金族元素で形成されている、前記(4)に記載のGaN系発光ダイオード。
(6)前記p型オーミック電極の膜厚が30nm以上である、前記(1)〜(5)のいずれかに記載のGaN系発光ダイオード。
(7)前記p型オーミック電極の膜厚が30nm以上であり、前記p側パッド電極の面積に対する前記帯状かつ環状の領域の面積の比率が、前記パターンにおける、電極部分の面積比よりも大きい、前記(1)に記載のGaN系発光ダイオード。
(8)前記p型オーミック電極が、Ag層、Cu層、Au層、Al層から選ばれるひとつ以上の層を含む、前記(7)に記載のGaN系発光ダイオード。
(9)前記帯状かつ環状の領域の幅が、1μm〜25μmである、前記(1)〜(8)のいずれかに記載のGaN系発光ダイオード。
The present invention has the following features.
(1) A p-type GaN-based semiconductor layer formed on a light-emitting layer made of a GaN-based semiconductor, a p-type ohmic electrode formed on the surface of the p-type GaN-based semiconductor layer, and the p-type ohmic electrode A GaN-based light emitting diode comprising a p-side pad electrode electrically connected, wherein the p-type ohmic electrode is formed in a pattern having a window through which light generated in the light emitting layer can pass The p-side pad electrode is in contact with the p-type GaN-based semiconductor layer inside the opening, and its outer peripheral portion is on the p-type ohmic electrode. The region where the p-side pad electrode and the p-type ohmic electrode overlap is a band-like and annular region along the contour line of the p-side pad electrode. Side pad The contact between the electrode and the p-type GaN-based semiconductor layer is made non-ohmic, or the surface of the p-type GaN-based semiconductor layer in contact with the p-side pad electrode is increased in resistance. A GaN-based light-emitting diode configured to prevent current from flowing directly from the side pad electrode to the p-type GaN-based semiconductor layer.
(2) The GaN according to (1), wherein the p-side pad electrode has at least a portion in contact with the p-type GaN-based semiconductor layer formed of a metal material in Schottky contact with the p-type GaN-based semiconductor. Light emitting diode.
(3) The p-type ohmic electrode includes an Au layer, and the portion of the p-side pad electrode in contact with the p-type GaN-based semiconductor layer has a portion formed of Al as the p-type ohmic electrode. The GaN-based light emitting diode according to (2), which is provided so as not to contact.
(4) Plasma treatment is performed on a portion of the surface of the p-type GaN-based semiconductor layer where the p-side pad electrode is in contact, whereby a current is directly applied from the p-side pad electrode to the p-type GaN-based semiconductor layer. The GaN-based light emitting diode according to (1), which is configured not to flow.
(5) The GaN-based light-emitting diode according to (4), wherein the p-side pad electrode has at least a portion in contact with the p-type GaN-based semiconductor layer formed of a platinum group element.
(6) The GaN-based light emitting diode according to any one of (1) to (5), wherein the thickness of the p-type ohmic electrode is 30 nm or more.
(7) The thickness of the p-type ohmic electrode is 30 nm or more, and the ratio of the area of the belt-like and annular regions to the area of the p-side pad electrode is larger than the area ratio of the electrode portion in the pattern. The GaN-based light emitting diode according to (1) above.
(8) The GaN-based light emitting diode according to (7), wherein the p-type ohmic electrode includes one or more layers selected from an Ag layer, a Cu layer, an Au layer, and an Al layer.
(9) The GaN-based light emitting diode according to any one of (1) to (8), wherein a width of the belt-like and annular region is 1 μm to 25 μm.
本発明のGaN系LEDでは、p側パッド電極を、その中央部分がp型オーミック電極に設けられた開口部を通してp型GaN系半導体層と接するように、形成するとともに、p側パッド電極からp型GaN系半導体層に直接電流が流れないようにするので、p側パッド電極の中央部分の下方での発光が抑制される。従って、p側パッド電極の中央部分の下方での発光が全く抑制されていなかった、前記従来技術に係るGaN系LEDと比べて、発光効率が改善されたものとなる。
本発明のGaN系LEDでは、また、p側パッド電極を、その外周部がp型オーミック電極の上に重なるように形成し、それによって、p側パッド電極とp型オーミック電極とが重なった領域を、p側パッド電極の輪郭線に沿った帯状かつ環状の領域とする。このようにすることによって、LEDの順方向電圧(Vf)のバラツキが小さくなるという効果が得られる。
In the GaN-based LED of the present invention, the p-side pad electrode is formed so that the central portion thereof is in contact with the p-type GaN-based semiconductor layer through the opening provided in the p-type ohmic electrode, and the p-side pad electrode is separated from the p-side pad electrode. Since no current flows directly to the type GaN-based semiconductor layer, light emission below the center portion of the p-side pad electrode is suppressed. Therefore, the light emission efficiency is improved as compared with the GaN-based LED according to the related art in which the light emission below the central portion of the p-side pad electrode is not suppressed at all.
In the GaN-based LED of the present invention, the p-side pad electrode is formed so that the outer peripheral portion thereof overlaps the p-type ohmic electrode, whereby the p-side pad electrode and the p-type ohmic electrode overlap each other. Is a band-like and annular region along the contour line of the p-side pad electrode. By doing in this way, the effect that the variation in the forward voltage (Vf) of LED becomes small is acquired.
以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。
図1は、本発明の実施に係るGaN系LEDの構造を示す模式図であり、図1(a)は上面図、図1(b)は図1(a)のx−y線における断面図である。
図1において、1はサファイア基板、2はSi(ケイ素)がドープされた膜厚3μmのn型GaNクラッド層、3はInX1Ga1−X1N井戸層とInX2Ga1−X2N(0≦X2<X1)障壁層が交互に積層されてなる量子井戸構造の発光層、4はMg(マグネシウム)がドープされた膜厚30nmのp型AlGaNクラッド層、5はMgがドープされた膜厚200nmのp型GaNコンタクト層、P1は膜厚20nmのTi(チタン)層の上に膜厚1000nmのAl(アルミニウム)層を積層し、熱処理してなるn型オーミック電極、P2は膜厚20nmのNi(ニッケル)層の上に膜厚200nmのAu(金)層を積層し、熱処理してなるp型オーミック電極、P3は膜厚30nmのTi層の上に膜厚1000nmのAu層を積層し、熱処理してなるp側パッド電極である。サファイア基板1とn型GaNクラッド層2との間には、AlGaNからなるバッファ層(図示せず)が形成されている。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
1A and 1B are schematic views showing the structure of a GaN-based LED according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a top view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line xy in FIG. It is.
In FIG. 1, 1 is a sapphire substrate, 2 is a 3 μm thick n-type GaN cladding layer doped with Si (silicon), and 3 is an In X1 Ga 1 -X1 N well layer and In X2 Ga 1 -X2 N (0 ≦ X2 <X1) Light emitting layer having a quantum well structure in which barrier layers are alternately stacked, 4 is a p-type AlGaN cladding layer having a thickness of 30 nm doped with Mg (magnesium), and 5 is a thickness having been doped with Mg A p-type GaN contact layer with a thickness of 200 nm, P1 is an n-type ohmic electrode formed by laminating an Al (aluminum) layer with a thickness of 1000 nm on a Ti (titanium) layer with a thickness of 20 nm, and P2 has a thickness of 20 nm. A p-type ohmic electrode obtained by laminating an Au (gold) layer with a thickness of 200 nm on a Ni (nickel) layer and heat-treating, P3 is an Au layer with a thickness of 1000 nm on a Ti layer with a thickness of 30 nm Is a p-side pad electrode formed by stacking and heat-treating. A buffer layer (not shown) made of AlGaN is formed between the sapphire substrate 1 and the n-type GaN cladding layer 2.
p型GaNコンタクト層5の表面には、p側パッド電極P3が形成される領域を除いて、該表面のほぼ全域を覆うように、p型オーミック電極P2が格子状パターンに形成されている。この格子状パターンは、電極膜の中に、一辺15μmの正方形状の窓部Wが、直交する二方向に、共に間隔3μmで正方行列状に規則配列されてなるもので、窓部Wにはp型GaNコンタクト層5の表面が露出している。窓部を有するパターンにおける電極部分の面積比を、電極部分の面積と窓部の面積の合計に対する、電極部分の面積の比率と定義すると、この格子状パターンにおける電極部分の面積比は、図9に示すように、約31%と計算される。
図3(a)は、図1のGaN系LEDに含まれるp型オーミック電極P2のみを図示したもので、格子状パターンに形成された部分と、開口部Qが設けられた部分と、からなっている。
A p-type ohmic electrode P2 is formed on the surface of the p-type GaN contact layer 5 in a lattice pattern so as to cover almost the entire surface of the p-type GaN contact layer 5 except for the region where the p-side pad electrode P3 is formed. This lattice pattern is formed by regularly arranging square window portions W each having a side of 15 μm in an electrode film in a square matrix shape at intervals of 3 μm in two orthogonal directions. The surface of the p-type GaN contact layer 5 is exposed. When the area ratio of the electrode portion in the pattern having the window portion is defined as the ratio of the area of the electrode portion to the total area of the electrode portion and the area of the window portion, the area ratio of the electrode portion in this lattice pattern is as shown in FIG. As shown in FIG.
FIG. 3A illustrates only the p-type ohmic electrode P2 included in the GaN-based LED of FIG. 1, and includes a portion formed in a lattice pattern and a portion provided with an opening Q. ing.
素子の上面には、一辺100μmの正方形状のp側パッド電極P3が、p型GaNコンタクト層5の表面とp型オーミック電極P2の両方に接するように形成されている。このp側パッド電極P3は、p型オーミック電極P2の開口部の内側で、p型GaNコンタクト層5と接しており、また、その外周部は、p型オーミック電極P2の上に重なっている。
図1(a)にて斜線で示した領域は、p側パッド電極P3がp型オーミック電極P2の上に重ねられることにより、これらの電極が接している領域Sである。この領域Sは、p側パッド電極P3の輪郭線に沿った帯幅約10μmの帯状となっており、かつ、環状をなしている。図1(a)にて、環状の領域Sの内側の縁を規定している点線は、p側パッド電極P3の下に隠れているp型オーミック電極P2の輪郭線であり、領域Sの内側(=p型オーミック電極P2の開口部の内側)では、p側パッド電極P3がp型GaNコンタクト層5の表面に接している。この帯状の領域Sの面積は約3600μm2であり、p側パッド電極P3の面積(10000μm2)に対する面積比は約36%である。
On the upper surface of the element, a square p-side pad electrode P3 having a side of 100 μm is formed so as to be in contact with both the surface of the p-type GaN contact layer 5 and the p-type ohmic electrode P2. The p-side pad electrode P3 is in contact with the p-type GaN contact layer 5 inside the opening of the p-type ohmic electrode P2, and the outer peripheral portion thereof overlaps the p-type ohmic electrode P2.
A region indicated by hatching in FIG. 1A is a region S in which the p-side pad electrode P3 is in contact with the p-type ohmic electrode P2 so that these electrodes are in contact with each other. This region S has a band shape with a band width of about 10 μm along the contour line of the p-side pad electrode P3 and has an annular shape. In FIG. 1A, the dotted line that defines the inner edge of the annular region S is the outline of the p-type ohmic electrode P2 hidden under the p-side pad electrode P3. (= Inside the opening of the p-type ohmic electrode P2), the p-side pad electrode P3 is in contact with the surface of the p-type GaN contact layer 5. The area of the strip-shaped region S is approximately 3600μm 2, the area ratio to the area of the p-side pad electrode P3 (10000 2) is about 36%.
図1のGaN系LEDにワイヤボンディングを行い通電すると、p型オーミック電極P2の下方の発光層3で発光が生じ、窓部Wを通して、素子上方に出射される。一方、p側パッド電極P3は、p型GaNコンタクト層5と接する部分がTiからなるので、p側パッド電極P3がp型GaNコンタクト層5の表面に接している領域の下方では発光が生じない。これは、Tiとp型GaNとの接触はショットキー接触となるため、p側パッド電極P3からp型GaNコンタクト層5には直接電流が流れないためである。よって、図1のGaN系LEDでは、p側パッド電極P3の中央部分の下方では、発光が生じない。一方、帯状の領域Sの下方では、p型オーミック電極P2からp型GaNコンタクト層5に電流が流れるので、発光が生じるが、この発光はp側パッド電極P3の縁部の下方で生じるために、従来のGaN系LEDで生じていた、p側パッド電極の中央部分の下方での発光と比べて、窓部Wを通して素子外部に出射され易い。 When the GaN-based LED of FIG. 1 is wire-bonded and energized, light is emitted from the light-emitting layer 3 below the p-type ohmic electrode P2, and emitted through the window W to the top of the device. On the other hand, since the p-side pad electrode P3 is made of Ti at the portion in contact with the p-type GaN contact layer 5, no light emission occurs below the region where the p-side pad electrode P3 is in contact with the surface of the p-type GaN contact layer 5. . This is because the contact between Ti and p-type GaN is a Schottky contact, so that no current flows directly from the p-side pad electrode P3 to the p-type GaN contact layer 5. Therefore, in the GaN-based LED of FIG. 1, no light emission occurs below the central portion of the p-side pad electrode P3. On the other hand, under the band-like region S, current flows from the p-type ohmic electrode P2 to the p-type GaN contact layer 5, and thus light emission occurs. This light emission occurs below the edge of the p-side pad electrode P3. Compared with the light emission under the central portion of the p-side pad electrode, which is generated in the conventional GaN-based LED, the light is easily emitted to the outside of the element through the window portion W.
図2は、本発明者等が、比較のために検討を行ったGaN系LEDの上面図である。図2のGaN系LEDが、図1に示すGaN系LEDと異なるのは、p側パッド電極がp型オーミック電極の上に積層された領域と、p側パッド電極がp型層に接する領域とが、当該p側パッド電極の輪郭線に沿って交互に並ぶように、p型オーミック電極の形状の一部を変更している点である。図2において、黒く塗り潰して表示した領域が、p側パッド電極P13がp型オーミック電極P12の上に重なった領域である。図3(b)は、図2のGaN系LEDに含まれるp型オーミック電極P12のみを図示したものである。図2のGaN系LEDでは、p側パッド電極がp型オーミック電極の上に重なった領域の面積が、図1のGaN系LEDの約6分の1となっている。 FIG. 2 is a top view of a GaN-based LED examined by the present inventors for comparison. 2 differs from the GaN-based LED shown in FIG. 1 in that the p-side pad electrode is stacked on the p-type ohmic electrode, and the p-side pad electrode is in contact with the p-type layer. However, a part of the shape of the p-type ohmic electrode is changed so as to be alternately arranged along the contour line of the p-side pad electrode. In FIG. 2, the black area is the area where the p-side pad electrode P <b> 13 overlaps the p-type ohmic electrode P <b> 12. FIG. 3B illustrates only the p-type ohmic electrode P12 included in the GaN-based LED of FIG. In the GaN-based LED of FIG. 2, the area of the region where the p-side pad electrode overlaps the p-type ohmic electrode is about 1/6 of the GaN-based LED of FIG.
本発明者等による検討の結果、図2のGaN系LEDは特性が極めて不安定であることが分かった。具体的には、このGaN系LEDは順方向電圧のバラツキが大きく、それに伴い、1枚のウェハから得られる素子の平均的な順方向電圧の値も大きくなった。また、それだけでなく、不良品として、素子を上から見たときに、p側パッド電極P13の近傍でしか発光しない素子、即ち、電流がp側パッド電極P13からp型オーミック電極P12に正常に流れない素子が、多数発生した。これらの問題は、図1のGaN系LEDでは生じなかったものであり、図1のGaN系LEDの方が、図2のGaN系LEDよりも、p型オーミック電極とp側パッド電極との電気的な接続状態が良好となることを示唆している。
このように、図1に示すGaN系LEDと図2に示すGaN系LEDの対比から、本発明のGaN系LEDにおいて、p側パッド電極がp型オーミック電極の上に重なった領域を、p側パッド電極の輪郭線に沿った帯状かつ環状の領域とすることが、重要な意義を持つことが理解される。
As a result of studies by the present inventors, it has been found that the characteristics of the GaN-based LED of FIG. 2 are extremely unstable. Specifically, this GaN-based LED has a large variation in forward voltage, and along with this, the value of the average forward voltage of an element obtained from one wafer has also increased. In addition, as a defective product, when the element is viewed from above, an element that emits light only in the vicinity of the p-side pad electrode P13, that is, a current is normally transferred from the p-side pad electrode P13 to the p-type ohmic electrode P12. Many elements that did not flow occurred. These problems did not occur in the GaN-based LED of FIG. 1, and the GaN-based LED of FIG. 1 is more electrically connected to the p-type ohmic electrode and the p-side pad electrode than the GaN-based LED of FIG. This suggests that the general connection is good.
Thus, from the comparison of the GaN-based LED shown in FIG. 1 and the GaN-based LED shown in FIG. 2, in the GaN-based LED of the present invention, the region where the p-side pad electrode overlaps the p-type ohmic electrode is It is understood that it is important to form a band-like and annular region along the contour line of the pad electrode.
次に、図1のGaN系LEDの製造手順を説明する。
サファイア基板上にGaN系半導体層を形成する方法としては、従来公知のMOVPE法、HVPE法、MBE法などの気相成長法を、適宜用いることができる。
MOVPE法を用いる場合、まず、サファイア基板1をMOVPE装置の成長炉内に装着し、水素雰囲気下で基板を1100℃まで昇温することにより、表面のサーマルエッチングを行う。その後、基板温度を300℃〜600℃程度の範囲に下げ、3族原料としてトリメチルガリウム(TMG)およびトリメチルアルミニウム(TMA)、5族原料としてアンモニアを供給し、AlGaN低温バッファ層を形成する。
Next, a manufacturing procedure of the GaN-based LED of FIG. 1 will be described.
As a method for forming the GaN-based semiconductor layer on the sapphire substrate, a conventionally known vapor phase growth method such as a MOVPE method, an HVPE method, or an MBE method can be appropriately used.
When using the MOVPE method, first, the sapphire substrate 1 is mounted in a growth furnace of a MOVPE apparatus, and the substrate is heated to 1100 ° C. in a hydrogen atmosphere to perform thermal etching of the surface. Thereafter, the substrate temperature is lowered to a range of about 300 ° C. to 600 ° C., and trimethylgallium (TMG) and trimethylaluminum (TMA) are supplied as Group 3 materials and ammonia is supplied as a Group 5 material to form an AlGaN low temperature buffer layer.
AlGaN低温バッファ層を成長した後、基板温度を900℃〜1100℃に昇温し、TMG、アンモニア、シランを供給することにより、n型GaNクラッド層2を成長させる。n型GaNクラッド層2にドープするSiの濃度は、1×1018cm−3〜5×1019cm−3とすることが好ましい。
発光層3を成長する際には、基板温度を600℃〜800℃の範囲に下げるとともに、成長炉内の水素ガス濃度が低くなるように、ガスの供給を調節する。これは、発光層3を構成するInGaNの分解温度が低いことと、InGaNの分解が水素ガスの存在によって促進されるためである。In原料としてトリメチルインジウム(TMI)を用い、井戸層の成長時と、障壁層の成長時とで、TMIの供給量を変化させることにより、In組成を変化させることができる。井戸層と障壁層には、適宜、n型不純物および/またはp型不純物をドーピングしてもよい。バンド間発光を発生させるためには、井戸層をアンドープとすることが好ましく、井戸層のIn組成を調節することによりLEDの発光波長を変化させることができる。井戸層および障壁層の厚さや、積層する層の数については、公知技術を適宜参照することができる。
After growing the AlGaN low-temperature buffer layer, the substrate temperature is raised to 900 ° C. to 1100 ° C., and TMG, ammonia and silane are supplied to grow the n-type GaN cladding layer 2. The concentration of Si doped in the n-type GaN cladding layer 2 is preferably 1 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 19 cm −3 .
When growing the light emitting layer 3, the substrate temperature is lowered to a range of 600 ° C. to 800 ° C., and the gas supply is adjusted so that the hydrogen gas concentration in the growth furnace is lowered. This is because the decomposition temperature of InGaN constituting the light emitting layer 3 is low and the decomposition of InGaN is promoted by the presence of hydrogen gas. By using trimethylindium (TMI) as the In raw material and changing the supply amount of TMI between the growth of the well layer and the growth of the barrier layer, the In composition can be changed. The well layer and the barrier layer may be appropriately doped with n-type impurities and / or p-type impurities. In order to generate light emission between bands, the well layer is preferably undoped, and the emission wavelength of the LED can be changed by adjusting the In composition of the well layer. For the thicknesses of the well layers and the barrier layers and the number of layers to be stacked, known techniques can be referred to as appropriate.
発光層3を成長した後は、基板温度を再び900℃〜1100℃に昇温して、TMG、TMA、アンモニア、ビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Cp2Mg)を供給し、p型AlGaNクラッド層4を成長させる。Cp2Mgの代わりにビス(エチルシクロペンタジエニル)マグネシウムを用いることもできる。p型AlGaNクラッド層4にドープするMgの濃度は、1×1018cm−3〜5×1020cm−3とすることが好ましい。
p型AlGaNクラッド層4を所定の厚さ成長させた後、TMAの供給を停止し、p型GaNコンタクト層5を成長させる。p型GaNコンタクト層5には、p型オーミック電極P2との接触抵抗を低くするために、Mgを高濃度にドープすることが好ましく、例えば、1×1019cm−3〜1×1021cm−3とする。
これらの層については、必要に応じて、ドープしたMgを活性化させるための処理を行ってもよい。そのような処理としては、例えば、電子線照射処理やアニーリング処理が挙げられる。
After the light emitting layer 3 is grown, the substrate temperature is raised again to 900 ° C. to 1100 ° C., and TMG, TMA, ammonia, bis (cyclopentadienyl) magnesium (Cp 2 Mg) is supplied, and p-type AlGaN The cladding layer 4 is grown. Bis (ethylcyclopentadienyl) magnesium can also be used instead of Cp 2 Mg. The Mg concentration doped in the p-type AlGaN cladding layer 4 is preferably 1 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 .
After the p-type AlGaN cladding layer 4 is grown to a predetermined thickness, the supply of TMA is stopped and the p-type GaN contact layer 5 is grown. In order to reduce the contact resistance with the p-type ohmic electrode P2, the p-type GaN contact layer 5 is preferably doped with Mg at a high concentration, for example, 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm. -3 .
About these layers, you may perform the process for activating the doped Mg as needed. Examples of such a process include an electron beam irradiation process and an annealing process.
GaN系半導体層の形成が完了したら、p型GaNコンタクト層5の表面に、p型オーミック電極P2を形成する。
p型オーミック電極P2のパターニングは、通常のフォトリソグラフィ技法を用いて行うことができる。例えば、p型GaNコンタクト層5の表面全体を覆うようにフォトレジスト膜を形成した後、所定のフォトマスクを用いて露光し、現像を行うことにより、電極膜を形成すべき部位のみにp型GaNコンタクト層5の表面が露出するように、フォトレジスト膜をパターニングする。その上から電子ビーム蒸着法によって電極膜を形成し、フォトレジスト膜をリフトオフすると、所定の部位に電極膜を残存させることができる。
他の方法として、p型GaNコンタクト層5の表面全体に、電極膜とフォトレジスト膜を順に形成し、電極膜を除去しようとする部位のみが露出するようにフォトレジスト膜をパターニングした後、露出した部位の電極膜をエッチング除去し、最後にフォトレジスト膜を除去して、所定の部位にのみ電極膜を残存させる方法も採用可能である。
Ni膜とAu膜を積層して形成した電極膜は、p型コンタクト層5との接触抵抗を低下させるために、400℃以上でアニールすることが好ましい。このアニールは、後述するp側パッド電極P3のアニールと同時に行ってもよい。
When the formation of the GaN-based semiconductor layer is completed, the p-type ohmic electrode P2 is formed on the surface of the p-type GaN contact layer 5.
The p-type ohmic electrode P2 can be patterned using a normal photolithography technique. For example, after a photoresist film is formed so as to cover the entire surface of the p-type GaN contact layer 5, exposure is performed using a predetermined photomask, and development is performed, so that only the portion where the electrode film is to be formed is p-type. The photoresist film is patterned so that the surface of the GaN contact layer 5 is exposed. When an electrode film is formed thereon by electron beam evaporation and the photoresist film is lifted off, the electrode film can be left at a predetermined site.
As another method, an electrode film and a photoresist film are sequentially formed on the entire surface of the p-type GaN contact layer 5, and the photoresist film is patterned so that only a portion where the electrode film is to be removed is exposed, and then exposed. It is also possible to employ a method in which the electrode film at the part is removed by etching, the photoresist film is finally removed, and the electrode film is left only at a predetermined part.
The electrode film formed by laminating the Ni film and the Au film is preferably annealed at 400 ° C. or higher in order to reduce the contact resistance with the p-type contact layer 5. This annealing may be performed simultaneously with the annealing of the p-side pad electrode P3 described later.
p側パッド電極P3は、p型オーミック電極P2の形成後、p型オーミック電極の開口部Qの位置に、外周部がp型オーミック電極P2の上に重なり、中央部分がp型GaNコンタクト層5の表面に接するように形成する。p側パッド電極P3のパターニングも、p型オーミック電極P2と同様に、フォトリソグラフィ技法を用いたリフトオフの方法により行うことができる。電子ビーム蒸着法によってTi膜とAu膜とを積層して形成した電極膜は、p型GaNコンタクト層5との密着性を向上させるとともに、p型オーミック電極P2との電気的接触を良好にするために、400℃以上でアニールすることが好ましい。 After the formation of the p-type ohmic electrode P2, the p-side pad electrode P3 has an outer peripheral portion overlapping the p-type ohmic electrode P2 at the position of the opening Q of the p-type ohmic electrode, and a central portion at the p-type GaN contact layer 5 It forms so that it may touch the surface of. Patterning of the p-side pad electrode P3 can also be performed by a lift-off method using a photolithography technique, similarly to the p-type ohmic electrode P2. The electrode film formed by laminating the Ti film and the Au film by the electron beam evaporation method improves the adhesion with the p-type GaN contact layer 5 and improves the electrical contact with the p-type ohmic electrode P2. Therefore, it is preferable to anneal at 400 ° C. or higher.
n型GaNクラッド層2にn型オーミック電極P1を形成するには、まず、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、p型GaNコンタクト層5の表面側から、p型GaNコンタクト層5、p型AlGaNクラッド層4および発光層3の一部を除去し、n型GaNクラッド層2を露出させる。次に、露出したn型GaNクラッド層2の表面に、電子ビーム蒸着法によりTi膜とAl膜を積層した電極膜を形成する。この電極膜は、n型GaNクラッド層2との接触抵抗を低下させるために、400℃以上でアニールすることが好ましい。 In order to form the n-type ohmic electrode P1 on the n-type GaN cladding layer 2, first, the p-type GaN contact layer 5 is formed from the surface side of the p-type GaN contact layer 5 by a reactive ion etching method using chlorine gas. The p-type AlGaN cladding layer 4 and the light emitting layer 3 are partially removed to expose the n-type GaN cladding layer 2. Next, an electrode film in which a Ti film and an Al film are stacked is formed on the exposed surface of the n-type GaN cladding layer 2 by electron beam evaporation. This electrode film is preferably annealed at 400 ° C. or higher in order to reduce the contact resistance with the n-type GaN cladding layer 2.
電極の形成が完了した後、スクライビングやダイシングなどの手段を用いてウェハを分断し、チップ分離を行う。分断前に、反応性イオンエッチング法などにより、p型GaNコンタクト層5の表面側から、分断線に沿った領域の発光層を除去しておくと、分断時の衝撃が伝播することによって発光層が受ける損傷を緩和することができる。また、この工程で露出する、発光層3の端面を含むGaN系半導体層の端面は、チップ分離前に、酸化ケイ素などからなる絶縁保護膜で保護しておくことが好ましい。露出したp型GaNコンタクト層5の表面や、ボンディングのために露出させておく必要がある部分を除く各電極の表面も、同様に保護することが好ましい。 After the formation of the electrodes is completed, the wafer is cut using means such as scribing and dicing to perform chip separation. If the light emitting layer in the region along the dividing line is removed from the surface side of the p-type GaN contact layer 5 by a reactive ion etching method or the like before dividing, the light emitting layer is propagated by the impact at the time of dividing. Can reduce damage. Further, it is preferable that the end face of the GaN-based semiconductor layer including the end face of the light emitting layer 3 exposed in this step is protected with an insulating protective film made of silicon oxide or the like before chip separation. It is preferable to protect the surface of the exposed p-type GaN contact layer 5 and the surface of each electrode except for the portion that needs to be exposed for bonding.
以上、本発明の実施形態を図1を用いて説明したが、本発明に係るGaN系LEDの構成は、図1に示す構成に限定されない。
GaN系半導体層を成長させるための基板としては、GaN系半導体結晶の成長に適した基板を制限なく用いることができ、サファイア基板(C面、A面、R面)の他に、SiC基板(6H、4H、3C)、GaN基板、AlGaN基板、AlN基板、Si基板、GaAs基板、GaP基板、スピネル基板、ZnO基板、NGO(NdGaO3)基板、LGO(LiGaO2)基板、LAO(LaAlO3)基板、ZrB2基板、TiB2基板などを用いることができる。また、サファイア基板などの表面に、予め下地層としてGaN系半導体結晶層が成長されたテンプレートも使用可能である。
前記例示した基板のうち、SiC基板、GaN基板、Si基板、GaAs基板、ZnO基板などの導電性基板を用いる場合には、n側の電極を基板の下面に形成することもできる。
基板の結晶成長面には、GaN系半導体の成長開始前に、SiO2などからなるマスクパターンを形成したり、凹凸形状を加工することもできる。
基板の下面には、金属膜や誘電体多層膜からなる反射層を設けてもよい。
本発明に係るGaN系LEDに含まれる基板は、素子を構成するGaN系半導体層の成長に用いられた基板である必要はなく、別途準備され、該GaN系半導体層の成長に用いられた基板が除去された後、接合されたものであってもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described using FIG. 1, the structure of GaN-type LED which concerns on this invention is not limited to the structure shown in FIG.
As a substrate for growing a GaN-based semiconductor layer, a substrate suitable for the growth of a GaN-based semiconductor crystal can be used without limitation. In addition to a sapphire substrate (C-plane, A-plane, R-plane), a SiC substrate ( 6H, 4H, 3C), GaN substrate, AlGaN substrate, AlN substrate, Si substrate, GaAs substrate, GaP substrate, spinel substrate, ZnO substrate, NGO (NdGaO 3 ) substrate, LGO (LiGaO 2 ) substrate, LAO (LaAlO 3 ) A substrate, a ZrB 2 substrate, a TiB 2 substrate, or the like can be used. A template in which a GaN-based semiconductor crystal layer is previously grown as a base layer on the surface of a sapphire substrate or the like can also be used.
In the case of using a conductive substrate such as a SiC substrate, a GaN substrate, a Si substrate, a GaAs substrate, or a ZnO substrate among the above-exemplified substrates, an n-side electrode can be formed on the lower surface of the substrate.
On the crystal growth surface of the substrate, a mask pattern made of SiO 2 or the like can be formed or the concavo-convex shape can be processed before the growth of the GaN-based semiconductor is started.
A reflective layer made of a metal film or a dielectric multilayer film may be provided on the lower surface of the substrate.
The substrate included in the GaN-based LED according to the present invention does not have to be a substrate used for the growth of the GaN-based semiconductor layer constituting the device, but is a separately prepared substrate used for the growth of the GaN-based semiconductor layer. It may be bonded after the is removed.
pn接合ダイオード構造を構成するn型層、発光層、p型層は、n型層に注入される電子と、p型層に注入される正孔が、発光層で再結合して発光が生じるように組合せられていればよく、各層の結晶組成、不純物の種類・濃度、厚さなどに特段の限定はない。例えば、各層は、結晶組成や不純物の種類・濃度などが厚さ方向に均一であっても不均一であってもよく、また、結晶組成や不純物の種類・濃度などが異なる層が積層された多層構造であってもよいし、結晶組成や不純物濃度が傾斜した構造を含んでもよい。発光効率を高くするためには、ダブルヘテロ構造を構成することが好ましく、発光層は量子井戸構造とすることが好ましい。n型層として、n型GaN系半導体からなる基板を用いることもできる。
図1に示すGaN系LEDでは、n型GaNクラッド層がコンタクト層を兼用しているが、n型クラッド層とn型コンタクト層とは、別個の層として設けてもよい。クラッド層やコンタクト層の他、転位の伝播を制御するための層、不純物の拡散を抑制するための層、光の反射性や透過性を制御するための層、不純物の拡散を抑制するための層、格子不整合やそれに伴う歪を緩和するための層、発光層へのキャリア閉じ込めを強化するための層、Inを含有する発光層を保護するための層など、各種の機能を有する層は適宜設けてよく、また、pn接合ダイオード構造を構成するn型層、発光層、p型層の全部または一部がこれらの機能層を兼ねるように構成してもよい。
In the n-type layer, light-emitting layer, and p-type layer constituting the pn junction diode structure, electrons injected into the n-type layer and holes injected into the p-type layer are recombined in the light-emitting layer to emit light. There is no particular limitation on the crystal composition of each layer, the type / concentration of impurities, the thickness, and the like. For example, each layer may have a uniform or non-uniform crystal composition and impurity type / concentration in the thickness direction, and layers with different crystal composition and impurity type / concentration are laminated. A multilayer structure may be included, and a structure in which the crystal composition and the impurity concentration are inclined may be included. In order to increase the light emission efficiency, it is preferable to form a double hetero structure, and the light emitting layer preferably has a quantum well structure. A substrate made of an n-type GaN-based semiconductor can also be used as the n-type layer.
In the GaN-based LED shown in FIG. 1, the n-type GaN clad layer also serves as a contact layer, but the n-type clad layer and the n-type contact layer may be provided as separate layers. In addition to the cladding layer and contact layer, a layer for controlling dislocation propagation, a layer for suppressing impurity diffusion, a layer for controlling light reflectivity and transparency, and a layer for suppressing impurity diffusion Layers with various functions, such as layers, layers to relieve lattice mismatch and associated strain, layers to enhance carrier confinement in the light emitting layer, layers to protect the light emitting layer containing In, The n-type layer, the light-emitting layer, and the p-type layer constituting the pn junction diode structure may be provided as appropriate or all of them.
p型オーミック電極は、少なくともp型層と接する部分を、p型GaN系半導体とオーミック接触する金属材料で形成すればよい。p型GaN系半導体とオーミック接触する金属材料は公知であり、例えば、Au(金)、Ni(ニッケル)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)、Ag(銀)、Pt(白金)、Ir(イリジウム)、In(インジウム)などの単体や、これらの合金が挙げられる。p型オーミック電極は、かかる金属材料のいずれかからなる単層膜としてもよいし、p型層と接する部分がかかる金属材料からなる多層構造としてもよい。多層構造とする場合、電極の導電性や熱伝導性を向上させるために、Ag層、Cu(銅)層、Au層、Al層などを多層構造の一部に含めることが好ましい。 The p-type ohmic electrode may be formed of a metal material that is in ohmic contact with the p-type GaN-based semiconductor at least at a portion in contact with the p-type layer. Metal materials that make ohmic contact with p-type GaN-based semiconductors are known. For example, Au (gold), Ni (nickel), Pd (palladium), Rh (rhodium), Ag (silver), Pt (platinum), Ir ( Examples thereof include simple substances such as iridium) and In (indium) and alloys thereof. The p-type ohmic electrode may be a single-layer film made of any of such metal materials, or may have a multilayer structure made of such a metal material at a portion in contact with the p-type layer. In the case of a multilayer structure, it is preferable to include an Ag layer, a Cu (copper) layer, an Au layer, an Al layer, or the like as a part of the multilayer structure in order to improve the conductivity and thermal conductivity of the electrode.
p型オーミック電極は、光が殆ど透過しない厚さに形成することが好ましい。これは、p型オーミック電極を透明な金属薄膜で形成すると、電極膜厚の微妙な変化や、熱処理条件の僅かな違いなどが原因となって電極の光透過率が変動し、LEDの出力がその影響を敏感に受けるからである。p型オーミック電極の電極部分を光が殆ど透過しない厚さに形成し、発光の大部分が窓部を通して素子外部に出射されるようにすると、この問題を解決できる。金属薄膜は、膜厚が約20nm以下ではかなりの透光性を示す一方、膜厚30nm以上に形成すると光をよく反射するようになることから、p型オーミック電極の膜厚は、好ましくは30nm以上であり、より好ましくは60nm以上、更に好ましくは100nm以上である。
また、高い光透過性を呈する程に膜厚の小さいp型オーミック電極を、更に、窓部を有するパターンに形成すると、該電極のシート抵抗が高くなり過ぎて、電流が該電極中を横方向に十分拡散しなくなるために、発光層における発光強度の面内均一性が低くなる。このような問題を避けるには、p型オーミック電極の膜厚を、60nm以上とすることが好ましく、100nm以上とすることがより好ましい。
p型オーミック電極の膜厚は、大きくし過ぎるとp型オーミック電極がp型層の表面から剥離し易くなる傾向があるので、該膜厚は、好ましくは1μm以下であり、より好ましくは500nm以下、特に好ましくは300nm以下である。
The p-type ohmic electrode is preferably formed to a thickness that hardly transmits light. This is because when the p-type ohmic electrode is formed of a transparent metal thin film, the light transmittance of the electrode fluctuates due to subtle changes in the electrode film thickness, slight differences in heat treatment conditions, etc. This is because it is sensitive to the influence. This problem can be solved if the electrode portion of the p-type ohmic electrode is formed to a thickness that hardly transmits light, and most of the emitted light is emitted outside the device through the window portion. The metal thin film exhibits a considerable translucency when the film thickness is about 20 nm or less, but reflects light well when formed with a film thickness of 30 nm or more. Therefore, the film thickness of the p-type ohmic electrode is preferably 30 nm. It is above, More preferably, it is 60 nm or more, More preferably, it is 100 nm or more.
Further, when a p-type ohmic electrode having a small film thickness so as to exhibit high light transmittance is further formed in a pattern having a window portion, the sheet resistance of the electrode becomes excessively high, and current flows laterally in the electrode. Therefore, the in-plane uniformity of the light emission intensity in the light emitting layer is lowered. In order to avoid such a problem, the thickness of the p-type ohmic electrode is preferably 60 nm or more, and more preferably 100 nm or more.
When the film thickness of the p-type ohmic electrode is too large, the p-type ohmic electrode tends to be easily peeled off from the surface of the p-type layer. Therefore, the film thickness is preferably 1 μm or less, more preferably 500 nm or less. Particularly preferably, it is 300 nm or less.
p型オーミック電極を多層構造とする場合、好ましい態様の一例として、p型層の表面に接する部分を透明なAu膜とし、その上にAg、Al、RhまたはPtからなる高反射層を積層する態様が挙げられる。p型層の表面に接する部分をAu膜とするのは、接触抵抗が特に小さくなるためであるが、更に、p型層との密着性をよくするために、NiやPdからなる透明薄膜を先に形成し、その上にAu膜を積層してもよい。高反射層は、p型オーミック電極による光吸収が小さくなるように、GaN系LEDの典型的な発光波長である緑色〜近紫外波長で高い反射率を有するAg、Al、Rh、Ptなどを用いて、30nm以上の膜厚に形成する。 When the p-type ohmic electrode has a multilayer structure, as an example of a preferred embodiment, a portion in contact with the surface of the p-type layer is a transparent Au film, and a highly reflective layer made of Ag, Al, Rh, or Pt is laminated thereon. An embodiment is mentioned. The reason why the Au film is in contact with the surface of the p-type layer is that the contact resistance is particularly small. In order to improve the adhesion to the p-type layer, a transparent thin film made of Ni or Pd is used. It may be formed first and an Au film may be laminated thereon. The highly reflective layer uses Ag, Al, Rh, Pt or the like having a high reflectance at a green to near ultraviolet wavelength, which is a typical emission wavelength of a GaN-based LED, so that light absorption by the p-type ohmic electrode is reduced. Thus, the film is formed to a thickness of 30 nm or more.
窓部を有するp型オーミック電極のパターンとしては、ネット状、樹枝状、櫛状、放射状、渦巻き状、ミアンダ状などが例示される。これらのパターンは、混在させることもできる。
このうち、ネット状パターンは、電流拡散性が良好となることから最も好ましいパターンである。電極をネット状パターンにする場合の窓部の形状は、三角形、四角形、多角形、円形、楕円形、異形、不定形など、任意の形状としてよく、各窓部の大きさや向き、窓部の配列などは、規則的であってもよいし、不規則的であってもよい。光取出し面(素子の上面)における出射光強度の面内均一性を良くするためには、窓部を規則的に配列することが好ましく、また、各窓部の形状および大きさを揃えることが好ましい。また、窓部の設計や、窓部のパターニング工程に用いるフォトマスクの設計を簡便にする目的のためには、窓部の形状を単純な形状とし、配列は規則的とすることが好ましい。従って、ネット状パターンの場合であれば、方形の窓部が規則的に配列された、格子状パターンが最も好ましい。
いずれのパターンの場合も、電極特性が不安定とならない範囲で、電極部分や窓部を細かく形成することが好ましく、電極部分や窓部が帯状に形成された領域における帯幅や、ドット状に形成された領域における、ドットの縦横のサイズは、1μm〜25μmとすることが好ましく、2μm〜20μmとすることがより好ましく、3μm〜15μmとすることが特に好ましい。
Examples of the pattern of the p-type ohmic electrode having a window include a net shape, a dendritic shape, a comb shape, a radial shape, a spiral shape, and a meander shape. These patterns can also be mixed.
Among these, the net-like pattern is the most preferable pattern because the current diffusibility is good. The shape of the window when the electrode is a net pattern may be any shape such as a triangle, a rectangle, a polygon, a circle, an ellipse, an irregular shape, an irregular shape, the size and orientation of each window, The arrangement or the like may be regular or irregular. In order to improve the in-plane uniformity of the emitted light intensity on the light extraction surface (the upper surface of the element), it is preferable to arrange the windows regularly, and to make the shape and size of each window uniform. preferable. For the purpose of simplifying the design of the window part and the design of the photomask used in the patterning process of the window part, it is preferable that the window part has a simple shape and the arrangement is regular. Therefore, in the case of a net pattern, a lattice pattern in which square windows are regularly arranged is most preferable.
In any case, it is preferable to form the electrode portion and window portion finely within the range where the electrode characteristics do not become unstable, and the band width or dot shape in the region where the electrode portion or window portion is formed in a band shape. The vertical and horizontal sizes of the dots in the formed region are preferably 1 μm to 25 μm, more preferably 2 μm to 20 μm, and particularly preferably 3 μm to 15 μm.
窓部を有するパターンにおける電極部分の面積比は、20%〜80%とすることが好ましい。電極部分の面積比が小さいほど、素子の動作時に、電極膜から直下のp型層に供給される電流の密度が高くなるが、発光層を形成するGaN系半導体のIn組成が低い、発光波長の短いGaN系LEDでは、出力の飽和傾向が始まる電流密度が高く、また、電流密度変化に対する発光波長のシフトが小さいので、光が出射され易いように窓部を大きく取り、発光層の一部(p型オーミック電極の電極膜の直下に位置する部分)を高電流密度で動作させることが、発光効率を向上させるうえで有利となる。そのため、発光層にInGaNを用いた、発光波長が紫色から近紫外のLEDでは、電極部分の面積比を20%〜40%とすることが好ましい。 The area ratio of the electrode part in the pattern having a window part is preferably 20% to 80%. The smaller the area ratio of the electrode portion, the higher the density of current supplied from the electrode film to the p-type layer immediately below the device during operation, but the lower the In composition of the GaN-based semiconductor forming the light emitting layer, the emission wavelength In a short GaN-based LED, the current density at which the saturation tendency of output begins is high, and the shift of the emission wavelength with respect to the change in current density is small. It is advantageous to improve the light emission efficiency to operate (the portion located immediately below the electrode film of the p-type ohmic electrode) at a high current density. Therefore, in an LED having an emission wavelength of violet to near-ultraviolet using InGaN for the light emitting layer, the area ratio of the electrode portion is preferably 20% to 40%.
p側パッド電極は、p側パッド電極からp型層に直接電流が流れないようにするために、少なくともp型層と接する部分を、p型GaN系半導体とショットキー接触する金属材料で形成する。そのような金属材料は公知であり、例えば、Ti、Ta(タンタル)、Cr(クロム)、Mo(モリブデン)、Al、W(タングステン)等の単体や、これらの合金が挙げられる。p側パッド電極は、かかる金属材料からなる単層膜としてもよいし、p型層と接する部分が上記金属材料からなる多層構造としてもよい。多層構造とする場合、Ag、Cu、Au、Al、Pt、Pd、Niなどを上に積層することが好ましい。Auワイヤとのボンディング性を考慮すると、最上層はAuとすることが最も好ましい。
Alは可視〜近紫外の波長領域における光反射性が特に良好であることから、p側パッド電極のp型層と接する部分をAlで形成すると、発光層で生じた光がp側パッド電極の下面で反射される際に受ける損失が小さくなり、LEDの発光効率が改善される。ただし、p型オーミック電極にAu層が含まれる場合には、Alで形成する部分がp型オーミック電極に接しないようにすることが望ましい。これは、AlとAuとが接触すると、光吸収性の着色物質の生成を伴う合金化反応が生じる場合があるからである。具体的には、例えば、図10に示すように、p側パッド電極のうち、p型層5と接する下層部分P3aの、p型オーミック電極と接しない部分P3a−1をAlで形成し、他の部分P3a−2を、p型GaN系半導体とショットキー接触する、Al以外の金属材料で形成する。この場合の、Al以外の金属材料としては、AlやAuの合金化反応を防ぐバリアとしての機能の高い、Ta、Mo、W等の高融点金属を用いることが好ましい。
The p-side pad electrode is formed of a metal material that is in Schottky contact with the p-type GaN-based semiconductor so that no current flows directly from the p-side pad electrode to the p-type layer. . Such metal materials are known, and examples thereof include simple substances such as Ti, Ta (tantalum), Cr (chromium), Mo (molybdenum), Al, and W (tungsten), and alloys thereof. The p-side pad electrode may be a single layer film made of such a metal material, or may have a multilayer structure in which a portion in contact with the p-type layer is made of the above metal material. In the case of a multilayer structure, Ag, Cu, Au, Al, Pt, Pd, Ni, etc. are preferably laminated on top. Considering the bonding property with the Au wire, the uppermost layer is most preferably made of Au.
Since Al has a particularly good light reflectivity in the visible to near-ultraviolet wavelength region, when the portion of the p-side pad electrode in contact with the p-type layer is formed of Al, the light generated in the light-emitting layer is absorbed by the p-side pad electrode. Loss received when reflected by the lower surface is reduced, and the luminous efficiency of the LED is improved. However, when the p-type ohmic electrode includes an Au layer, it is desirable that the portion formed of Al does not contact the p-type ohmic electrode. This is because when Al and Au come into contact, an alloying reaction accompanied by the generation of a light-absorbing colored substance may occur. Specifically, for example, as shown in FIG. 10, of the p-side pad electrode, a lower part P3a in contact with the p-type layer 5 and a part P3a-1 not in contact with the p-type ohmic electrode are formed of Al. The portion P3a-2 is formed of a metal material other than Al that is in Schottky contact with the p-type GaN-based semiconductor. In this case, as the metal material other than Al, it is preferable to use a refractory metal such as Ta, Mo, or W that has a high function as a barrier for preventing the alloying reaction of Al or Au.
p側パッド電極からp型層に直接電流が流れないようにする他の方法として、p側パッド電極を形成する前に、p側パッド電極が接することになるp型層の表面に、プラズマ処理を施す方法がある。このようなプラズマ処理は、反応性イオンエッチング装置を用いて行うことができる。プラズマ処理は、例えば、Cl2、SiCl4、BCl3等、又はこれらにAr、H2等を添加したガスを用いた、ドライエッチング処理を含む。ドライエッチング処理を施すことにより、p型GaN系半導体の表面は非オーミック性となる、あるいは、高抵抗化するので、p型層の表面の所定の領域に、予めドライエッチングを施しておくことにより、該領域に形成するp側パッド電極からp型層に直接電流が流れないようにすることができる(特許文献4)。また、プラズマ処理は、Ar、H2等のガスを原料としたプラズマへの暴露であってもよい。かかるプラズマへの暴露を、自然酸化膜が除去される程度を超えて行ったp型GaN系半導体の表面には、結晶構造が物理的にダメージを受けることにより高抵抗化した表面層が形成されるので、この現象を利用して、p側パッド電極からp型層に直接電流が流れないようにすることができる(特許文献5)。 As another method for preventing current from flowing directly from the p-side pad electrode to the p-type layer, plasma treatment is performed on the surface of the p-type layer that the p-side pad electrode is in contact with before the p-side pad electrode is formed. There is a method to apply. Such plasma treatment can be performed using a reactive ion etching apparatus. The plasma treatment includes, for example, dry etching treatment using Cl 2 , SiCl 4 , BCl 3 or the like, or a gas obtained by adding Ar, H 2 or the like to these. By performing the dry etching process, the surface of the p-type GaN-based semiconductor becomes non-ohmic or increases in resistance. Therefore, by performing dry etching in advance on a predetermined region of the surface of the p-type layer. The current can be prevented from flowing directly from the p-side pad electrode formed in the region to the p-type layer (Patent Document 4). The plasma treatment may be exposure to plasma using a gas such as Ar or H 2 as a raw material. On the surface of a p-type GaN-based semiconductor that has been exposed to such plasma beyond the extent to which the natural oxide film is removed, a surface layer having a high resistance is formed by physically damaging the crystal structure. Therefore, this phenomenon can be used to prevent current from flowing directly from the p-side pad electrode to the p-type layer (Patent Document 5).
p側パッド電極の形成をリフトオフ法で行う場合、該リフトオフ法で用いるフォトレジスト膜を、プラズマ処理における保護マスクとして、好ましく利用することができる。リフトオフ法では、図11に示すように、p型オーミック電極P2が形成されたp型GaNコンタクト層5の表面を覆ってフォトレジスト膜PRを形成し(図11(a))、次に、フォトレジスト膜PRの所定の箇所に開口部を形成し(図11(b))、その後、該開口部に露出したp型GaNコンタクト層5およびフォトレジスト膜PRの表面に、蒸着等により電極膜を形成し、最終的に、フォトレジスト膜をリフトオフすることによって、p側パッド電極P3を上記所定の箇所に形成する(図11(c))。よって、図11(b)に示す状態のときに、フォトレジスト膜PRを保護マスクとしてプラズマ処理を行えば、p型GaNコンタクト層5の表面の、必要最小限の領域のみを、プラズマに暴露させることができるので、p側パッド電極P3を形成しない領域までもがプラズマ処理によるダメージを受けることが防止できる。また、マスクプロセスの回数が少なくて済むので(プラズマ処理のみのためのマスクプロセスが不要なので)、製造効率の面でも好ましい。
更に、図11(b)に示す状態でプラズマ処理を行うと、p側パッド電極が積層されることになる、p型オーミック電極の表面もプラズマ暴露されるので、該表面から自然酸化膜や有機系の異物(例えば、フォトレジストの残渣)が除去され、それによって、p側パッド電極とp型オーミック電極との間の接触状態が良好となり、相互間の接触抵抗が低下したり、密着力が向上するといった効果が期待できる。
When the p-side pad electrode is formed by the lift-off method, the photoresist film used in the lift-off method can be preferably used as a protective mask in plasma processing. In the lift-off method, as shown in FIG. 11, a photoresist film PR is formed so as to cover the surface of the p-type GaN contact layer 5 on which the p-type ohmic electrode P2 is formed (FIG. 11A). An opening is formed in a predetermined portion of the resist film PR (FIG. 11B), and then an electrode film is formed on the surface of the p-type GaN contact layer 5 and the photoresist film PR exposed in the opening by vapor deposition or the like. Finally, the p-side pad electrode P3 is formed at the predetermined position by lifting off the photoresist film (FIG. 11C). Therefore, in the state shown in FIG. 11B, if plasma processing is performed using the photoresist film PR as a protective mask, only the minimum necessary region on the surface of the p-type GaN contact layer 5 is exposed to plasma. Therefore, even a region where the p-side pad electrode P3 is not formed can be prevented from being damaged by the plasma treatment. In addition, since the number of mask processes can be reduced (since a mask process for only plasma treatment is unnecessary), it is preferable in terms of manufacturing efficiency.
Further, when the plasma treatment is performed in the state shown in FIG. 11B, the p-side pad electrode is laminated, and the surface of the p-type ohmic electrode is also exposed to the plasma. System foreign matter (for example, photoresist residue) is removed, thereby improving the contact state between the p-side pad electrode and the p-type ohmic electrode, reducing the contact resistance between them, The effect of improving can be expected.
p側パッド電極が接触するp型層の表面をプラズマ処理することによって、p側パッド電極からp型層に直接電流が流れないようにする場合は、p側パッド電極を任意の金属材料で形成できる。すなわち、p側パッド電極のp型層に接する部分を、p型GaN系半導体とショットキー接触する金属材料で形成することが、必須でなくなる。従って、LEDの発光効率を改善するために、p側パッド電極の該部分を、可視〜近紫外の波長領域において高い光反射性を有する、Rh、Pt、Ir等の白金族元素で形成して、発光層で生じる光がp側パッド電極の下面で反射される際に受ける損失を小さくすることが可能となる。白金族元素は化学的に安定であるために、Auとの接触により着色物質の生成を伴う合金化反応を生じることはない。 When the surface of the p-type layer in contact with the p-side pad electrode is subjected to plasma treatment so that no current flows directly from the p-side pad electrode to the p-type layer, the p-side pad electrode is formed of an arbitrary metal material. it can. That is, it is not essential to form the portion of the p-side pad electrode that contacts the p-type layer with a metal material that is in Schottky contact with the p-type GaN-based semiconductor. Therefore, in order to improve the light emission efficiency of the LED, the portion of the p-side pad electrode is formed of a platinum group element such as Rh, Pt, or Ir having high light reflectivity in the visible to near-ultraviolet wavelength region. It is possible to reduce the loss received when the light generated in the light emitting layer is reflected by the lower surface of the p-side pad electrode. Since platinum group elements are chemically stable, contact with Au does not cause an alloying reaction accompanied by generation of a colored substance.
p側パッド電極の形状は、正方形、長方形、多角形、円形、半円形、異形など、任意の形状としてよい。p側パッド電極は、素子上方からの光取り出しにとって障害となることから、必要最小限の大きさとすることが好ましく、歩留りも含めてワイヤボンディングに必要な面積を考慮すると、p側パッド電極を円形とする場合の好ましい直径は70μm〜150μmであり、他の形状とする場合には、この大きさの円が包含される大きさとすればよい。
p側パッド電極は、膜厚を50nm以上とすれば、ワイヤボンディング工程での剥離が生じ難くなる。一方、膜厚を2μm以上としても、それによる効果は特になく、材料の使用量が多くなるだけなので、p側パッド電極の膜厚は、好ましくは50nm〜2μmであり、より好ましくは200nm〜1.5μmであり、特に好ましくは500nm〜1μmである。
ひとつのp型オーミック電極に接して、複数個のp側パッド電極を形成することも妨げられない。
The shape of the p-side pad electrode may be any shape such as a square, a rectangle, a polygon, a circle, a semicircle, and an irregular shape. Since the p-side pad electrode is an obstacle to light extraction from above the element, it is preferable that the p-side pad electrode has a minimum size. Considering the area necessary for wire bonding including the yield, the p-side pad electrode is circular. The preferred diameter is 70 μm to 150 μm, and in the case of another shape, the size may include a circle of this size.
If the p-side pad electrode has a film thickness of 50 nm or more, peeling in the wire bonding process is difficult to occur. On the other hand, even if the film thickness is 2 μm or more, there is no particular effect, and only the amount of material used is increased. Therefore, the film thickness of the p-side pad electrode is preferably 50 nm to 2 μm, more preferably 200 nm to 1 0.5 μm, particularly preferably 500 nm to 1 μm.
Forming a plurality of p-side pad electrodes in contact with one p-type ohmic electrode is not prevented.
本発明に係るGaN系LEDでは、p側パッド電極がp型オーミック電極の上に重なった領域を、p側パッド電極の輪郭線に沿った帯状の領域とするが、ここでいう、p側パッド電極の輪郭線に沿った帯状とは、該輪郭線に沿った方向が長手方向である帯状であり、該輪郭線の形状に応じて直線的な帯状であってもよいし、曲がった帯状であってもよい。
この帯状の領域を、p側パッド電極の輪郭線の全周に沿った環状とすることにより、p側パッド電極とp型オーミック電極との接触状態を安定なものとすることができる。
In the GaN-based LED according to the present invention, a region where the p-side pad electrode overlaps the p-type ohmic electrode is a band-shaped region along the contour line of the p-side pad electrode. The strip shape along the contour line of the electrode is a strip shape in which the direction along the contour line is the longitudinal direction, and may be a linear strip shape or a curved strip shape according to the shape of the contour line. There may be.
By making this belt-like region annular along the entire circumference of the contour line of the p-side pad electrode, the contact state between the p-side pad electrode and the p-type ohmic electrode can be stabilized.
p側パッド電極がp型オーミック電極の上に重なった、p側パッド電極の輪郭線に沿った帯状の領域の幅は、1μm〜25μmとすることが好ましく、3μm〜20μmとすることがより好ましく、5μm〜10μmとすることが特に好ましい。この帯状の領域の幅を1μm未満とすると、製造の際に、位置合わせが難しくなり、不良品の数が増える可能性がある。この帯状の領域の幅が25μmを超えると、この帯状の領域のうち、p側パッド電極の中央部に近い部分の下方で生じる発光が、窓部から素子外に出射され難くなる傾向がある。 The width of the band-like region along the outline of the p-side pad electrode in which the p-side pad electrode overlaps the p-type ohmic electrode is preferably 1 μm to 25 μm, and more preferably 3 μm to 20 μm. It is especially preferable to set it as 5 micrometers-10 micrometers. If the width of the band-like region is less than 1 μm, it is difficult to align during manufacturing, which may increase the number of defective products. When the width of the band-shaped region exceeds 25 μm, light emission generated below the portion near the center of the p-side pad electrode in the band-shaped region tends to be difficult to be emitted out of the element from the window.
図4〜図7は、それぞれ、本発明の実施形態に係るGaN系LEDの上面図である。
図4の例では、p型オーミック電極P2が、細長い窓部を有するネット状パターンに形成された部分と、正方形状の開口部が設けられた部分と、からなっており、正方形状のp側パッド電極P3が、該開口部を覆うように形成されている。p側パッド電極P3がp型オーミック電極P2の上に重なった領域Sは、p側パッド電極の輪郭線に沿った、帯状かつ環状の領域となっている。
図5の例では、p型オーミック電極P2が、一種の櫛状パターンに形成された部分と、五角形の開口部が設けられた部分と、からなっている。該開口部を覆うように、五角形状のp側パッド電極P3が形成されており、p側パッド電極P3がp型オーミック電極P2の上に重なった領域Sは、p側パッド電極P3の輪郭線に沿った、帯状かつ環状の領域となっている。
図6の例では、p型オーミック電極P2が、同心円状の線状電極パターンと放射状の線状電極パターンを組み合わせたネット状パターンに形成された部分と、該部分の中央に位置する、円形の開口部が設けられた部分と、からなっている。円形のp側パッド電極P3が、該開口部を覆って形成されており、p側パッド電極P3がp型オーミック電極P2の上に重なった領域Sは、p側パッド電極P3の輪郭線に沿った帯状かつ環状の領域となっている。なお、この図6の例は、導電性基板を使用した場合を示しており、n型オーミック電極は基板の下面に形成されている。
図7の例では、素子の平面形状が長方形状で、p型オーミック電極P2は櫛型パターンとされた部分と、その一端に形成された、環状部分とからなる。p側パッド電極P3は、その外周部が、p型オーミック電極P2の環状部分と接して形成されており、両電極が重なった帯状の領域Sは、p側パッド電極P3の輪郭線に沿った環状となっている。
4 to 7 are top views of the GaN-based LEDs according to the embodiments of the present invention, respectively.
In the example of FIG. 4, the p-type ohmic electrode P <b> 2 includes a portion formed in a net-like pattern having an elongated window portion and a portion provided with a square opening, and the square p-side A pad electrode P3 is formed so as to cover the opening. A region S where the p-side pad electrode P3 overlaps the p-type ohmic electrode P2 is a band-like and annular region along the contour line of the p-side pad electrode.
In the example of FIG. 5, the p-type ohmic electrode P2 is composed of a part formed in a kind of comb pattern and a part provided with a pentagonal opening. A pentagonal p-side pad electrode P3 is formed so as to cover the opening, and a region S where the p-side pad electrode P3 overlaps the p-type ohmic electrode P2 is an outline of the p-side pad electrode P3 It is a belt-like and annular region along the line.
In the example of FIG. 6, the p-type ohmic electrode P <b> 2 includes a portion formed in a net-like pattern combining concentric linear electrode patterns and radial linear electrode patterns, and a circular shape located at the center of the portion. And a portion provided with an opening. A circular p-side pad electrode P3 is formed so as to cover the opening, and a region S where the p-side pad electrode P3 overlaps the p-type ohmic electrode P2 follows the contour line of the p-side pad electrode P3. It is a belt-like and annular region. The example of FIG. 6 shows a case where a conductive substrate is used, and the n-type ohmic electrode is formed on the lower surface of the substrate.
In the example of FIG. 7, the planar shape of the element is a rectangular shape, and the p-type ohmic electrode P <b> 2 includes a comb-shaped portion and an annular portion formed at one end thereof. The outer peripheral portion of the p-side pad electrode P3 is formed in contact with the annular portion of the p-type ohmic electrode P2, and the belt-like region S where both electrodes overlap is along the outline of the p-side pad electrode P3. It is a ring.
光を殆ど透過しない厚さに形成された金属膜は、自由電子の働きによる、高い熱伝導性を有している。そのために、p型オーミック電極をこのような金属膜で形成すると、素子の放熱性の点でも有利となり、素子の長寿命化や、特性の安定化といった効果が期待できる。p型オーミック電極を介しての放熱は、GaN系半導体層内部で発生した熱が、p型オーミック電極を経由してp側パッド電極へと流れ、p側パッド電極から、該p側パッド電極にボンディングされるAuワイヤを経由して素子外に流れることにより生じるので、p型オーミック電極とp側パッド電極との接触面積を大きくすることが望ましい。
好ましい態様は、p側パッド電極がp型オーミック電極の上に重なった領域を、p側パッド電極の輪郭線に沿った帯状かつ環状の領域とするとともに、p側パッド電極の面積に対する該帯状かつ環状の領域の面積比を、p型オーミック電極が窓部を有するパターンとされた部分における電極部分の面積比よりも大きくする態様である。このようにすることで、発光効率の向上が図られると同時に、放熱性も確保することができる。
更に、p型オーミック電極を、Ag層、Cu層、Au層、Al層から選ばれる少なくともひとつ以上の層を含む、単層または多層構造とすると、放熱性が一層良好となる。Ag、Cu、Au、Alは、金属材料の中でも、最も熱伝導性の良好な材料だからである。
A metal film formed to a thickness that hardly transmits light has high thermal conductivity due to the action of free electrons. Therefore, when the p-type ohmic electrode is formed of such a metal film, it is advantageous in terms of heat dissipation of the element, and effects such as an increase in the lifetime of the element and stabilization of characteristics can be expected. For heat dissipation through the p-type ohmic electrode, heat generated inside the GaN-based semiconductor layer flows from the p-side pad electrode to the p-side pad electrode through the p-type ohmic electrode. Since it is generated by flowing out of the element via the Au wire to be bonded, it is desirable to increase the contact area between the p-type ohmic electrode and the p-side pad electrode.
In a preferred embodiment, the region where the p-side pad electrode overlaps the p-type ohmic electrode is a band-like and annular region along the outline of the p-side pad electrode, This is an aspect in which the area ratio of the annular region is made larger than the area ratio of the electrode portion in the portion where the p-type ohmic electrode has a pattern having a window portion. By doing in this way, luminous efficiency can be improved and heat dissipation can be ensured at the same time.
Furthermore, when the p-type ohmic electrode has a single layer or multilayer structure including at least one layer selected from an Ag layer, a Cu layer, an Au layer, and an Al layer, the heat dissipation is further improved. This is because Ag, Cu, Au, and Al are materials having the best thermal conductivity among metal materials.
エッチングにより露出させたn型層の表面にn型オーミック電極を形成する場合、n型オーミック電極に接続するAuワイヤをボンディングするためのn側パッド電極は、n型オーミック電極の上に別途形成してもよいし、または、n型オーミック電極自体を厚膜に形成して、n側パッド電極を兼用させてもよい。n型オーミック電極自体をn側パッド電極とする場合は、電極の膜厚を50nm〜2μmとすることが好ましい。
エッチングにより露出させるn型層表面およびその上に形成するn型オーミック電極の平面形状に限定はなく、種々の形状とすることができ、例えば、特開2000−164930号公報などを参照することができる。
n型オーミック電極は、少なくともn型層と接する部分を、n型GaN系半導体とオーミック接触する材料で形成すればよい。n型GaN系半導体とオーミック接触する材料は公知であり、例えば、Al、Ti、W、Nb(ニオブ)などの金属の単体や、これらの合金の他、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛などの酸化物半導体からなる透明導電膜材料が挙げられる。n型オーミック電極は、上記材料のいずれかからなる単層膜としてもよいし、n型層と接する部分が上記材料からなる多層構造としてもよい。
なお、導電性基板を用いる場合には、n型層をエッチングにより露出させ、その表面にn型オーミック電極を形成する代わりに、導電性基板の下面にn側電極を形成することもでき、その場合には導電性基板の種類に合わせて、該導電性基板との接触抵抗が低くなる電極材料を用いればよい。
When an n-type ohmic electrode is formed on the surface of an n-type layer exposed by etching, an n-side pad electrode for bonding an Au wire connected to the n-type ohmic electrode is separately formed on the n-type ohmic electrode. Alternatively, the n-type ohmic electrode itself may be formed in a thick film, and the n-side pad electrode may also be used. In the case where the n-type ohmic electrode itself is an n-side pad electrode, the thickness of the electrode is preferably 50 nm to 2 μm.
There is no limitation on the planar shape of the n-type layer surface exposed by etching and the n-type ohmic electrode formed thereon, and various shapes can be used. For example, see JP-A-2000-164930. it can.
The n-type ohmic electrode may be formed of a material in ohmic contact with the n-type GaN-based semiconductor at least at a portion in contact with the n-type layer. Materials that make ohmic contact with n-type GaN-based semiconductors are known. For example, simple metals such as Al, Ti, W, Nb (niobium), alloys thereof, indium tin oxide (ITO), zinc oxide, etc. And a transparent conductive film material made of an oxide semiconductor. The n-type ohmic electrode may be a single layer film made of any of the above materials, or may have a multilayer structure in which a portion in contact with the n-type layer is made of the above material.
When a conductive substrate is used, instead of exposing the n-type layer by etching and forming an n-type ohmic electrode on the surface, an n-side electrode can be formed on the lower surface of the conductive substrate. In that case, an electrode material having low contact resistance with the conductive substrate may be used in accordance with the type of the conductive substrate.
[実施例]
実施例として、図1のGaN系LEDを、前述の手順により作製した。LEDの発光波長は、井戸層のIn組成を制御することにより、400nmに設定した。直径2インチのサファイア基板を用いて、10枚のウェハを作製し、それぞれのウェハから得られたチップ分離後の素子の順方向電圧を、オートプローバを用いて測定した。なお、1枚のウェハから得られる素子の個数は、約1万5千個である。また、各ウェハから20個の素子をサンプリングし、ステム上にダイボンドした後、ワイヤボンディングを行い、積分球で出力を測定した。
評価の結果、素子の順方向電圧の平均値は、全てのウェハについて、3.2〜3.3Vとなり、いずれのウェハにおいても、順方向電圧の平均値からの偏差が0.1V以上となった素子の数は、全体の10%未満であった。また、出力の平均値は5mWであった。
[Example]
As an example, the GaN-based LED of FIG. 1 was produced by the above-described procedure. The emission wavelength of the LED was set to 400 nm by controlling the In composition of the well layer. Ten wafers were produced using a 2-inch diameter sapphire substrate, and the forward voltage of the element after chip separation obtained from each wafer was measured using an auto prober. The number of elements obtained from one wafer is about 15,000. Further, 20 elements were sampled from each wafer, die-bonded on the stem, wire-bonded, and the output was measured with an integrating sphere.
As a result of the evaluation, the average value of the forward voltage of the element is 3.2 to 3.3 V for all the wafers, and the deviation from the average value of the forward voltage is 0.1 V or more in any wafer. The number of elements was less than 10% of the total. Moreover, the average value of the output was 5 mW.
[比較例1]
比較例1として、実施例と同じ格子状パターンのp型オーミック電極が、p側パッド電極の下にも、他の領域と同様に形成されたことを除いて、実施例と同じ構成を有するGaN系LEDを、実施例と同様の方法により作製し、実施例と同様の方法で評価した。
評価の結果、素子の順方向電圧については、実施例との間で有意な差が見られなかった。一方、素子の出力の平均値は、実施例よりも約10%低くなった。
[Comparative Example 1]
As Comparative Example 1, GaN having the same configuration as that of the example except that a p-type ohmic electrode having the same lattice pattern as that of the example was formed below the p-side pad electrode in the same manner as other regions. A system LED was produced by the same method as in the example and evaluated by the same method as in the example.
As a result of the evaluation, no significant difference was found between the examples and the forward voltage of the device. On the other hand, the average value of the output of the element was about 10% lower than that of the example.
[比較例2]
比較例2として、図2に示すGaN系LEDを作製した。この比較例2のGaN系LEDは、p側パッド電極がp型オーミック電極の上に重なった領域をp側パッド電極の輪郭線に沿った帯状かつ環状の領域としないで、p側パッド電極がp型オーミック電極に接する領域と、p側パッド電極がp型GaNコンタクト層に接する領域とが、p側パッド電極の輪郭線に沿って交互に並ぶようにしたものであり、このような構成となるように、p型オーミック電極のパターンの一部を変更したことを除いて、他の構成は実施例のGaN系LEDと同じである。p側パッド電極がp型オーミック電極の上に重なった領域の面積は、実施例1のLEDの約6分の1である。
実施例と同様の方法で順方向電圧を測定した結果、各ウェハの平均値は3.4V〜3.6Vとなった。これは、順方向電圧のバラツキが大きくなったためで、各ウェハにおいて、順方向電圧の平均値からの偏差が0.1V以上の素子が大量に発生した。また、実施例では見られなかったことであるが、各ウェハから、順方向電圧の平均値からの偏差が0.3V以上となる素子も発生した。
[Comparative Example 2]
As Comparative Example 2, a GaN-based LED shown in FIG. In the GaN-based LED of Comparative Example 2, the region where the p-side pad electrode overlaps the p-type ohmic electrode is not a band-like and annular region along the outline of the p-side pad electrode. The region in contact with the p-type ohmic electrode and the region in which the p-side pad electrode is in contact with the p-type GaN contact layer are alternately arranged along the contour line of the p-side pad electrode. Thus, except that a part of the pattern of the p-type ohmic electrode is changed, the other configuration is the same as that of the GaN-based LED of the example. The area of the region where the p-side pad electrode overlaps the p-type ohmic electrode is about 1/6 of the LED of Example 1.
As a result of measuring the forward voltage by the same method as in the example, the average value of each wafer was 3.4V to 3.6V. This is because the variation in the forward voltage is large, and a large number of elements having a deviation from the average value of the forward voltage of 0.1 V or more are generated in each wafer. Moreover, although it was not seen in the Example, the element from which the deviation from the average value of a forward voltage was 0.3V or more also generate | occur | produced from each wafer.
なお、比較例1および比較例2のGaN系LEDでは、p側パッド電極を形成する際のリフトオフ工程にて、p側パッド電極の縁部に「欠け」が生じる不良がしばしば発生した。この「欠け」が発生した部分を詳しく観察すると、p側パッド電極がp型オーミック電極と接する部分と、p型GaNコンタクト層と接する部分との境界部で、p側パッド電極の電極膜の破断が生じていた。一方、実施例の素子では、かかる不良の発生は皆無であった。
このようなp側パッド電極の電極膜の破断の原因について、詳細は不明であるが、本発明者等は次のように考えている。すなわち、p型GaN系半導体層と、p型オーミック電極とでは、p側パッド電極との密着力が異なり、また、それぞれの熱膨張率も異なるために、p側パッド電極が、p型オーミック電極に接する部分と、p型GaNコンタクト層に接する部分と、の間の境界部には、機械的応力や熱応力が集中する傾向がある。そのために、該境界部がp側パッド電極の縁部に存在すると、リフトオフ工程などにおいて、該境界部でのp側パッド電極の破断が生じ易くなる。これに対して、本発明のGaN系LEDでは、p側パッド電極の縁部が、全周にわたってp型オーミック電極の上に重なるようにされているために、このような問題が改善される。
In the GaN-based LEDs of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, a defect in which “chip” occurs at the edge of the p-side pad electrode often occurred in the lift-off process when forming the p-side pad electrode. When the portion where the “chip” occurs is observed in detail, the electrode film of the p-side pad electrode is broken at the boundary between the portion where the p-side pad electrode is in contact with the p-type ohmic electrode and the portion where the p-type GaN contact layer is in contact. Has occurred. On the other hand, in the device of the example, no such defect occurred.
The details of the cause of the breakage of the electrode film of the p-side pad electrode are unknown, but the present inventors consider as follows. That is, the p-type GaN-based semiconductor layer and the p-type ohmic electrode have different adhesive strengths with the p-side pad electrode and also have different thermal expansion coefficients. Mechanical stress and thermal stress tend to concentrate at the boundary between the portion in contact with the portion and the portion in contact with the p-type GaN contact layer. Therefore, if the boundary portion exists at the edge portion of the p-side pad electrode, the p-side pad electrode is easily broken at the boundary portion in a lift-off process or the like. On the other hand, in the GaN-based LED of the present invention, the edge of the p-side pad electrode is overlapped on the p-type ohmic electrode over the entire circumference, so that such a problem is improved.
1 サファイア基板
2 n型GaNクラッド層
3 発光層
4 p型AlGaNクラッド層
5 p型GaNコンタクト層
P1 n型オーミック電極
P2 p型オーミック電極
P3 p側パッド電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sapphire substrate 2 n-type GaN clad layer 3 Light emitting layer 4 p-type AlGaN clad layer 5 p-type GaN contact layer P1 n-type ohmic electrode P2 p-type ohmic electrode P3 p-side pad electrode
Claims (9)
前記p型オーミック電極は、前記発光層で生じる光が通過し得る窓部を有するパターンに形成された部分と、開口部が設けられた部分と、からなり、
前記p側パッド電極は、前記開口部の内側で前記p型GaN系半導体層と接するとともに、その外周部が前記p型オーミック電極の上に重なるように形成され、それによって、該p側パッド電極と該p型オーミック電極とが重なった領域が、該p側パッド電極の輪郭線に沿った帯状かつ環状の領域となっており、
前記p側パッド電極と前記p型GaN系半導体層との接触が非オーミック性とされるか、または、前記p側パッド電極が接する前記p型GaN系半導体層の表面が高抵抗化されることにより、前記p側パッド電極から前記p型GaN系半導体層に直接電流が流れないようにされている、GaN系発光ダイオード。 A p-type GaN-based semiconductor layer formed on a light-emitting layer made of a GaN-based semiconductor, a p-type ohmic electrode formed on the surface of the p-type GaN-based semiconductor layer, and the p-type ohmic electrode electrically A p-side pad electrode connected to the GaN-based light emitting diode,
The p-type ohmic electrode consists of a part formed in a pattern having a window part through which light generated in the light emitting layer can pass, and a part provided with an opening,
The p-side pad electrode is formed so as to be in contact with the p-type GaN-based semiconductor layer inside the opening and to have an outer peripheral portion overlapping the p-type ohmic electrode, whereby the p-side pad electrode is formed. And the region where the p-type ohmic electrode overlaps is a band-like and annular region along the contour line of the p-side pad electrode,
Contact between the p-side pad electrode and the p-type GaN-based semiconductor layer is non-ohmic, or the surface of the p-type GaN-based semiconductor layer in contact with the p-side pad electrode is increased in resistance. Accordingly, a current is prevented from flowing directly from the p-side pad electrode to the p-type GaN-based semiconductor layer.
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