JP5541260B2

JP5541260B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP5541260B2
Application number: JP2011231453A
Authority: JP
Inventors: 真悟戸谷; 孝輔矢羽田; 雄也石▲黒▼
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: CN102694101B; US20120241791A1; JP2012212846A; US8735924B2; CN102694101A

Description

本発明は、絶縁膜中にＡｇまたはＡｇを含む合金からなる反射膜を有したIII 族窒化物半導体発光素子に関する。

特許文献１、２のように、絶縁膜中にＡｇまたはＡｇ合金からなる反射膜を設けたフリップチップ型のIII 族窒化物半導体発光素子が知られている。この反射膜によって、発光層からｐ型層側へと放射される光をｎ型層側へと反射して光取り出し効率を向上させている。Ａｇはマイグレーションを起こしやすいため、このように反射膜を絶縁膜で覆うことでマイグレーションを抑制している。

特開２００５−３０２７４７号公報特開２０１０−２７８２４号公報

しかし、反射膜が絶縁膜中に設けられ、絶縁された状態となっている場合であっても、絶縁膜を介してｐ電極とｎ配線電極との間に挟まれている領域の反射膜は、そのｐ電極−ｎ配線電極間の電位差によってマイグレーションが生じてしまうことが発明者らの検討によりわかった。

そこで本発明の目的は、絶縁膜中に設けられたＡｇまたはＡｇ合金からなる反射膜にマイグレーションが生じるのを抑制することである。

第１の発明は、絶縁膜中にＡｇまたはＡｇ合金からなる反射膜が設けられ、その反射膜の少なくとも一部が絶縁膜を介してｎ配線電極と、光透過性を有するｐコンタクト電極または、ｐ型層とに挟まれた領域に位置するIII 族窒化物半導体発光素子において、その領域であって、ｎ配線電極と反射膜との間に、絶縁膜を介して導電性を有した導電膜を設け、導電膜は、ｐコンタクト電極またはｐ型層に接続している、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

導電膜は、導電性を有した材料であれば任意の材料でよく、絶縁膜との密着性の高い材料であれば好ましい。たとえば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＩＴＯなどを用いることができる。ｐコンタクト電極は、ｐ型層に直接接触する電極であり、III 族窒化物半導体発光素子の発光波長に対して光透過性を有する材料であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＩＣＯ（酸化インジウムセリウム）、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）などの導電性透明酸化物や、Ａｕなどの金属薄膜である。

導電膜とｐコンタクト電極またはｐ型層との接続は、直接に接続するものだけでなく、ｐコンタクト電極またはｐ型層と接続するｐ配線電極を設け、導電膜とｐ配線電極とを接続することで間接的に接続するものであってもよいし、ｐコンタクト電極とｐ配線電極との間に、ｐコンタクト電極の一部として中間電極を設け、導電膜と中間電極とを接続することで間接的に接続するものであってもよい。

導電膜は、反射膜が絶縁膜を介してｎ配線電極とｐコンタクト電極またはｐ型層とに挟まれた領域と同一の領域に、または、反射膜が絶縁膜を介してｎ配線電極とｐコンタクト電極またはｐ型層とに挟まれた領域を含むより広い領域に形成されていることが望ましい。等電位な領域がさらに広くなるので、反射膜のマイグレーションがより抑制される。

反射膜は単層であってもよいし多層であってもよい。また、絶縁膜との密着性を向上させるために、絶縁膜と反射膜との間にＴｉなどの膜を設けてもよい。

第２の発明は、第１の発明において、ｐコンタクト電極はＩＴＯであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ｐコンタクト電極は、その一部に中間電極を有し、導電膜は、中間電極を介してｐコンタクト電極に接続していることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、導電膜は、前記領域と同一の領域、または、前記領域を含んでより広い領域に形成されていることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、ｐコンタクト電極またはｐ型層に接続するｐ配線電極を有し、導電膜をｐ配線電極に接続することで、ｐ配線電極を介して導電膜をｐコンタクト電極またはｐ型層に接続している、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、導電膜は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはＩＴＯであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。

第７の発明は、第１の発明から第６の発明において、フリップチップ型の素子であることを特徴とする。

本発明によると、反射膜とｎ配線電極との間に挟まれた領域における絶縁膜中に導電膜を設け、導電膜をｐ型層またはｐコンタクト電極と接続しているため、ｐ型層またはｐコンタクト電極とｎ配線電極との間に挟まれた領域の反射膜は等電位な領域に位置することとなり、反射膜のマイグレーションを防止することができる。

特に本発明はフリップチップ型の素子に用いるのが有効である。フリップチップ型の素子では、ｐ電極あるいはｐ型層とｎ配線電極との間の領域にも、絶縁膜を介して反射膜を設けることが、構造的に必要なためである。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した断面図。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程を示した図。実施例１の変形例のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。実施例１の変形例のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。実施例１の変形例のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の断面図である。図１のように、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、フリップチップ型の素子であり、サファイア基板１０と、サファイア基板１０上に順に形成されたｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３を有している。これらｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３は、従来知られた任意の構成でよい。ｎ型層１１は、たとえばサファイア基板１１側から順に、ｎコンタクト層、ＥＳＤ層、ｎクラッド層で構成される。発光層１２は、たとえばＭＱＷ構造であり、ＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮからなる障壁層とが繰り返し積層された構造である。ｐ型層１３は、たとえば発光層１２側から順に、ｐクラッド層、ｐコンタクト層で構成される。ｐ型層１３表面には、そのｐ型層１３表面からｎ型層１１に達する深さの孔１４（ｎ型層１１が積層構造である場合にはｎコンタクト層に達する深さ、以下において同様）が複数設けられている。また、ｐ型層１３表面の孔１４が設けられた領域以外のほぼ全面に、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ；酸化インジウムスズ）電極１５が設けられている。ＩＴＯ電極１５は、ｐ型層１３にコンタクトをとるｐコンタクト電極であり、素子の発光波長に対して透明である。さらに、ＩＴＯ電極１５の表面、孔１４の側面および底面、ｐ型層１３表面のうちＩＴＯ電極１５が形成されていない領域、に連続してＳｉＯ₂からなる絶縁膜１６が設けられている。絶縁膜１６の材料には、ＳｉＯ₂以外にも、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、などのIII 族窒化物半導体発光素子の発光波長に対して透光性を有した絶縁材料を用いることができる。

絶縁膜１６上（サファイア基板１１側とは反対側の絶縁膜１６表面）にはｎ配線電極１７とｐ配線電極１８が形成されている。ｎ配線電極１７およびｐ配線電極１８は、素子面方向に広がる配線状に構成されている。絶縁膜１６にはｎ型層１１を露出させる孔２０（ｎ型層１１が積層構造である場合にはｎコンタクト層を露出させる深さの孔）、およびＩＴＯ電極１５を露出させる孔２１が設けられ、孔２０を通してｎ配線電極１７とｎ型層１１とがｎ中間電極２４を介して接触し、孔２１を通してｐ配線電極１８とＩＴＯ電極１５とがｐ中間電極２５を介して接触している。ｎ中間電極２４は、ｎ型層１１とコンタクトをとるｎコンタクト電極である。ｎ中間電極２４、ｐ中間電極２５はＮｉ／Ａｕ／Ａｌ（サファイア基板１１に近い側から順にＮｉ膜、Ａｕ膜、Ａｌ膜の３層で構成された積層構造、記号「／」は積層であることを意味し、Ａ／ＢはＡを成膜したのちＢを成膜した積層構造であることを意味する。以下において同じ）からなり、Ｎｉ膜が５０ｎｍ、Ａｕ膜が１５００ｎｍ、Ａｌ膜が１０ｎｍである。

絶縁膜１６中には、反射膜１９が埋め込まれている。反射膜１９は、Ａｌ／Ａｇ／Ａｌの３層構造であり、Ａｌの厚さは１〜３０Åである。このように反射膜１９を絶縁膜１６で覆うことにより、反射膜１９のマイグレーションを抑制している。反射膜１９をＡｇの単層ではなく、Ａｇ層をＡｌ層で挟んだ構造としたのは、Ａｇよりもイオン化傾向が大きなＡｌでＡｇを挟むことによりＡｇのマイグレーションを防止するためである。反射膜１９の材料は、Ａｌ／Ａｇ／Ａｌ以外でもよく、ＡｇまたはＡｇ合金からなる単層や、ＡｇまたはＡｇ合金からなる層を含む複層であればよい。

絶縁膜１６中であって、反射膜１９の上部（ＩＴＯ電極１５側とは反対側）に当たる領域には、導電膜２３が形成されている。導電膜２３は、導電性を有した材料であればよく、絶縁膜１６との密着性がよい材料が好ましい。たとえばＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＩＴＯなどを用いることができる。また、導電膜２３の一部は、ＩＴＯ電極１５に接触している。接触位置は任意の位置でよいが、反射膜１９の面積が狭くなって光取り出し効率が低下してしまわないよう接触範囲はなるべく狭くすることが望ましい。また、導電膜２３は部分的に反射膜１９に接触するようにしてもよい。

ｎ配線電極１７、ｐ配線電極１８上は、絶縁膜２２に覆われている。そして、ｎ配線電極１７上部（サファイア基板１１側とは反対側）に位置する絶縁膜２２上、およびｐ配線電極１８上部（サファイア基板１１側とは反対側）に位置する絶縁膜２２上に、それぞれはんだ層２６、２７が形成されている。絶縁膜２２にはｎ配線電極１７、ｐ配線電極１８が底面に露出する孔２８、２９が設けられ、この孔２８、２９を介してｎ配線電極１７とはんだ層２６、およびｐ配線電極１８とはんだ層２７が接続されている。はんだ層２６、２７はＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ／ＡｕＳｎ／Ａｕであり、膜厚はそれぞれ順に１００ｎｍ、１５０ｎｍ、５０ｎｍ、５０００ｎｍ、５０ｎｍである。

実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、絶縁膜１６中の反射膜１９によって光をサファイア基板側へと反射して光を取り出すフリップチップ型の素子である。ここで、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、ＩＴＯ電極１５と接続された導電膜２３を設けたことにより、ＩＴＯ電極１５と導電膜２３がおよそ等電位となる。また、従来、絶縁膜１６を介してｎ配線電極１７とＩＴＯ電極１５とに挟まれた領域の反射膜１９は、絶縁膜１６を介して導電膜２３とＩＴＯ電極１５に挟まれることとなる。そのため、絶縁膜１６を介してｎ配線電極１７とＩＴＯ電極１５とに挟まれた領域の反射膜１９は、等電位の領域に位置することとなり、反射膜１９には電界が生じず、マイグレーションが防止される。

なお、導電膜２３は、反射膜１９が絶縁膜１６を介してｎ配線電極１７とＩＴＯ電極１５とに挟まれた領域と同一の領域、または、反射膜１９が絶縁膜１６を介してｎ配線電極１７とＩＴＯ電極１５とに挟まれた領域を含むより広い領域に形成することが望ましい。等電位となる領域がより広がり、その等電位な領域に反射膜１９がより確実に含まれるようになるため、反射膜１９のマイグレーションをより抑制することができる。

また、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、反射膜１９の上部（サファイア基板１１側とは反対側）に絶縁膜１６を介して導電膜２３を設ける構成としているが、反射膜１９上部であって、ｎ配線電極１７の下部（サファイア基板１１側）に当たる領域にのみ導電膜２３を設けるようにしてもよい。

また、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、導電膜２３の一部をＩＴＯ電極１５に接続する構成としているが、導電膜２３の電位がｐ配線電極１８とおよそ等電位となる構成であれば任意の構成でよい。たとえば、図３のように、導電膜２３の一部をｐ中間電極２５に接続する構成や、図４のように、導電膜２３の一部をｐ型層１３に接続する構成や、図５のように、導電膜２３の一部をｐ配線電極１８に接続する構成としてもよい。いずれの場合も、導電膜２３とＩＴＯ電極１５またはｐ型層１３とが間接的に接続される構成となるため、反射膜１９が等電位の領域中に存在することとなり、反射膜１９のマイグレーションを防止することができる。

次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について、図２を参照に説明する。

まず、サファイア基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３を順に形成する。原料ガスには、Ｇａ源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ｉｎ源としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、窒素源としてアンモニア、ｎ型ドーピングガスとして、シラン、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム、キャリアガスには水素または窒素を用いる。そして、ｐ型層１３上の一部領域に、蒸着によって１００ｎｍのＩＴＯ電極１５を形成する（図２（ａ））。

次に、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、所定の領域にｐ型層１３表面からｎ型層１１に達する深さの孔１４を形成し、孔１４の底面に露出したｎ型層１１の所定の領域、およびＩＴＯ電極１５上の所定の領域に、蒸着、リフトオフによってｎ中間電極２４、ｐ中間電極２５をそれぞれ形成し、５７０℃で熱処理を行う（図２（ｂ））。

次に、上面全面、すなわち、ＩＴＯ電極１５表面、孔１４の底面および側面、ｐ型層１３表面であってＩＴＯ電極１５の形成されていない領域、ｎ中間電極２４、ｐ中間電極２５上に連続して、ＣＶＤ法によって、ＳｉＯ₂からなる厚さ１００ｎｍの第１絶縁膜１６ａ（絶縁膜１６の一部）を形成する。そして、第１絶縁膜１６ａ上であって、ｎ中間電極２４、ｐ中間電極２５上部に当たる領域および導電膜２３とＩＴＯ電極１５とを接続する領域、を除いた領域に、蒸着によってＡｌ膜、Ａｇ膜、Ａｌ膜を順に積層してＡｌ／Ａｇ／Ａｌからなる反射膜１９を形成する（図２（ｃ））。Ａｌ膜は１〜３０Å、Ａｇ膜は５００〜５０００Åである。

次に、第１絶縁膜１６ａ上および反射膜１９上に、ＣＶＤ法によって、ＳｉＯ₂からなる厚さ１００ｎｍの第２絶縁膜１６ｂ（絶縁膜１６の一部）を形成する。これにより、第１絶縁膜１６ａと第２絶縁膜１６ｂとの間に反射膜１９が埋め込まれるように形成される。そして、第２絶縁膜１６ｂ上の所定の領域（下部に反射膜１９やｎ中間電極２４、ｐ中間電極２５が位置していない領域）にドライエッチングによって孔３０を形成し、その孔３０底面にＩＴＯ電極１５を露出させる。そして、反射膜１９の上部に位置する第２絶縁膜１６ｂ上と孔３０に連続して、蒸着、リフトオフによって導電膜２３を形成する（図２（ｄ））。これにより、導電膜２３とＩＴＯ電極１５とが孔３０を通して接続される。

次に、第２絶縁膜１６ｂ上および導電膜２３上に、ＣＶＤ法によって、ＳｉＯ₂からなる厚さ１００ｎｍの第３絶縁膜１６ｃ（絶縁膜１６の一部）を形成する。第１絶縁膜１６ａ、第２絶縁膜１６ｂ、第３絶縁膜１６ｃが一体として絶縁膜１６を形成する（図２（ｅ））。

次に、絶縁膜１６上であって、ｎ中間電極２４、ｐ中間電極２５の上部に位置する領域に、ドライエッチングによってｎ中間電極２４を露出させる孔２０、およびｐ中間電極２５を露出させる孔２１をそれぞれ形成する。その後、第３絶縁膜１６ｃ上の所定の領域および孔２０、２１に、蒸着、リフトオフによって、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ／Ａｌからなる配線状のｎ配線電極１７、ｐ配線電極１８を形成する（図２（ｆ））。これにより、ｎ配線電極１７とｎ中間電極２４、およびｐ配線電極１８とｐ中間電極２５とを接続する。ｎ配線電極１７とｐ配線電極１８はそれぞれ別に形成してもよいし、同時に形成してもよい。

次に、ｎ配線電極１７、ｐ配線電極１８上に、ＣＶＤ法によって絶縁膜２２を形成し、絶縁膜２２の所定の領域にドライエッチングによって孔２８、２９を形成する。そして、絶縁膜２２上であってｎ配線電極１７の上部に当たる位置と孔２８にはんだ層２６、絶縁膜２２上であってｐ配線電極１８の上部に当たる位置と孔２９にはんだ層２７を形成し、孔２８を介してｎ配線電極１７とはんだ層２６、孔２９を介してｐ配線電極１８とはんだ層２７とを接続する。以上によって、図１に示す実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。

また、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、ＩＴＯ電極１５を用いたが、III 族窒化物半導体発光素子の発光波長に対して光透過性を有し、ｐ型層１３とオーミック接触する材料であれば他の材料を用いてもよい。そのような材料として、１０ｎｍ程度の厚さのＣｏ／Ａｕなどからなる金属薄膜や、ＩＣＯ（ＩｎｄｉｕｍＣｅｒｉｕｍＯｘｉｄｅ；酸化インジウムセリウム）などからなる導電性透明酸化物が挙げられる。

また、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、絶縁膜１６の材料としてＳｉＯ₂を用いたが、III 族窒化物半導体発光素子の発光波長に対して光透過性を有する絶縁材料であれば他の材料を用いてもよい。そのような材料として、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂などの酸化物、Ｓｉ₃Ｎ₄などの窒化物、ＳｉＯ_xＮ_yなどの酸窒化物が挙げられる。

また、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、ｎ型層１１とｎ配線電極１７とを、ｎ中間電極２４を介して接続させた構造としたが、ｎ中間電極２４を介さずに直接ｎ型層１１とｎ配線電極１７とを接続させた構造としてもよい。同様に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子では、ｐ型層１３またはＩＴＯ電極１５とｐ配線電極１８とを、ｐ中間電極２５を介して接続させた構造としたが、ｐ中間電極２５を介さずにｐ型層１３またはＩＴＯ電極１５とｐ配線電極１８とを直接接続させた構造としてもよい。

また、実施例１はフリップチップ型のIII 族窒化物半導体発光素子であったが、本発明はフェイスアップ型のIII 族窒化物半導体発光素子においても適用可能である。

本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置や表示装置などの光源として利用することができる。

１０：サファイア基板
１１：ｎ型層
１２：発光層
１３：ｐ型層
１４、２０、２１：孔
１５：ＩＴＯ電極
１６：絶縁膜
１７：ｎ配線電極
１８：ｐ配線電極
１９：反射膜
２３：導電膜
２４：ｎ中間電極
２５：ｐ中間電極
２６、２７：はんだ層

Claims

絶縁膜中にＡｇまたはＡｇ合金からなる反射膜が設けられ、その反射膜の少なくとも一部が前記絶縁膜を介してｎ配線電極と、光透過性を有するｐコンタクト電極または、ｐ型層とに挟まれた領域に位置するIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記領域であって、前記ｎ配線電極と前記反射膜との間に、前記絶縁膜を介して導電性を有した導電膜を設け、
前記導電膜は、前記ｐコンタクト電極または前記ｐ型層に接続している、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
前記ｐコンタクト電極は、ＩＴＯであることを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記ｐコンタクト電極は、その一部に中間電極を有し、前記導電膜は、前記中間電極を介して前記ｐコンタクト電極に接続していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記導電膜は、前記領域と同一の領域、または、前記領域を含んでより広い領域に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記ｐコンタクト電極または前記ｐ型層に接続するｐ配線電極を有し、
前記導電膜を前記ｐ配線電極に接続することで、前記ｐ配線電極を介して前記導電膜を前記ｐコンタクト電極または前記ｐ型層に接続している、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
前記導電膜は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、またはＩＴＯであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
フリップチップ型の素子であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。