特許 7573812 発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-18

(45)【発行日】2024-10-28

(54)【発明の名称】発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/20 20100101AFI20241021BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20241021BHJP

【ＦＩ】

H01L33/20

H01L33/32

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021003259

(22)【出願日】2021-01-13

(65)【公開番号】P2022108341

(43)【公開日】2022-07-26

【審査請求日】2023-12-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】川口 浩史

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１１０１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３０８５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０９３１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８３４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０９３１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１５３９９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００５０９０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２８８１７８１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００ － ３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化物半導体からなるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた窒化物半導体からなるｐ型半導体層とを有する半導体積層体を備え、
前記半導体積層体は、
前記ｐ型半導体層の側面および前記活性層の側面を含む第１側面と、
前記ｎ型半導体層における前記活性層および前記ｐ型半導体層が積層されていない領域に形成され、前記活性層および前記ｐ型半導体層から露出したｎ側接続面と、
前記第１側面と前記ｎ側接続面とを接続し、前記ｎ型半導体層の側面を含み、前記ｐ型半導体層の側面および前記活性層の側面を含まない第２側面と、
を有し、
前記ｐ型半導体層の上面にｐ側電極が設けられ、
前記ｎ側接続面にｎ側電極が設けられ、
前記ｐ型半導体層の前記上面と前記第１側面とは鋭角を形成し、
前記第２側面は、前記半導体積層体における前記ｐ型半導体層の前記上面に垂直な断面における断面視において、前記ｐ型半導体層の前記上面の端部よりも内側に位置し、前記ｎ側接続面に対して９０°以上の角度を形成する発光素子。

【請求項2】

窒化物半導体からなるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた窒化物半導体からなるｐ型半導体層とを有する半導体積層体を備え、
前記半導体積層体は、
前記ｐ型半導体層の側面および前記活性層の側面を含む第１側面と、
前記ｎ型半導体層における前記活性層および前記ｐ型半導体層が積層されていない領域に形成され、前記活性層および前記ｐ型半導体層から露出したｎ側接続面と、
前記第１側面と前記ｎ側接続面とを接続し、前記ｎ型半導体層の側面を含み、前記ｐ型半導体層の側面および前記活性層の側面を含まない第２側面と、
を有し、
前記ｐ型半導体層の上面にｐ側電極が設けられ、
前記ｎ側接続面にｎ側電極が設けられ、
前記半導体積層体における前記ｐ型半導体層の前記上面に垂直な断面における断面視において、前記活性層の側面は前記ｐ型半導体層の前記上面の端部よりも内側に位置し、前記第２側面は前記ｐ型半導体層の前記上面の前記端部よりも内側に位置する曲面部を有する発光素子。

【請求項3】

前記第１側面は、前記ｎ型半導体層の側面の一部を含む請求項１または２に記載の発光素子。

【請求項4】

前記ｎ型半導体層の厚さは、前記ｐ型半導体層の厚さと前記活性層の厚さとの合計厚さよりも厚い請求項１～３のいずれか１つに記載の発光素子。

【請求項5】

前記ｎ型半導体層の厚さは、前記ｐ型半導体層の厚さの５倍以上１０倍以下である請求項１～４のいずれか１つに記載の発光素子。

【請求項6】

前記ｐ型半導体層の前記上面、前記第１側面、前記第２側面、および前記ｎ側接続面を覆う絶縁膜をさらに備える請求項１～５のいずれか１つに記載の発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、配線基板等の実装面側から順にｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層が配置された半導体積層体を含み、ｐ型半導体層の上面から主に光を取り出すいわゆるフェイスアップ実装方式の発光素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－０２８１００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の一実施形態は、半導体積層体におけるｐ型半導体層および活性層を含む部分の側面からの光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様によれば、発光素子は、窒化物半導体からなるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた窒化物半導体からなるｐ型半導体層とを有する半導体積層体を備える。前記半導体積層体は、前記ｐ型半導体層の側面および前記活性層の側面を含む第１側面と、前記ｎ型半導体層における前記活性層および前記ｐ型半導体層が積層されていない領域に形成され、前記活性層および前記ｐ型半導体層から露出したｎ側接続面と、前記第１側面と前記ｎ側接続面とを接続し、前記ｎ型半導体層の側面を含み、前記ｐ型半導体層の側面および前記活性層の側面を含まない第２側面と、を有する。前記ｐ型半導体層の上面にｐ側電極が設けられ、前記ｎ側接続面にｎ側電極が設けられている。前記ｐ型半導体層の前記上面と前記第１側面とは鋭角を形成し、前記第２側面は前記ｎ側接続面に対して９０°以上の角度を形成する。

【0006】

本発明の一態様によれば、発光素子は、窒化物半導体からなるｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた窒化物半導体からなるｐ型半導体層とを有する半導体積層体を備える。前記半導体積層体は、前記ｐ型半導体層の側面および前記活性層の側面を含む第１側面と、前記ｎ型半導体層における前記活性層および前記ｐ型半導体層が積層されていない領域に形成され、前記活性層および前記ｐ型半導体層から露出したｎ側接続面と、前記第１側面と前記ｎ側接続面とを接続し、前記ｎ型半導体層の側面を含み、前記ｐ型半導体層の側面および前記活性層の側面を含まない第２側面と、を有する。前記ｐ型半導体層の上面にｐ側電極が設けられ、前記ｎ側接続面にｎ側電極が設けられている。断面視において、前記活性層の側面は前記ｐ型半導体層の前記上面の端部よりも内側に位置し、前記第２側面は前記ｐ型半導体層の前記上面の前記端部よりも内側に位置する曲面部を有する。

【発明の効果】

【0007】

本発明の一実施形態によれば、半導体積層体におけるｐ型半導体層および活性層を含む部分の側面からの光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１実施形態の発光素子の模式上面図である。

【図2】本発明の第１実施形態の発光素子における半導体積層体の模式上面図である。

【図3】図１におけるIII-III線に沿った模式断面図である。

【図4】本発明の第２実施形態の発光素子の模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ構成には同じ符号を付している。

【0010】

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の発光素子１の模式上面図である。
図２は、発光素子１における半導体積層体１０の模式上面図である。
図３は、図１におけるIII-III線に沿った模式断面図である。

【0011】

第１実施形態の発光素子１は、基板１００と、基板１００上に設けられた半導体積層体１０を備える。基板１００は、例えばサファイア基板である。半導体積層体１０は、窒化物半導体からなる。半導体積層体１０は、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）からなる窒化物半導体を含む。

【0012】

半導体積層体１０は、基板１００上に設けられたｎ型半導体層１１と、ｎ型半導体層１１上に設けられた活性層１２と、活性層１２上に設けられたｐ型半導体層１３とを有する。

【0013】

ｎ型半導体層１１及びｐ型半導体層１３は、複数の窒化物半導体層を含む積層構造とすることができる。活性層１２は、光を発する発光層である。活性層１２は、複数の障壁層と複数の井戸層とを含み、障壁層と井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造とすることができる。活性層１２の発光ピーク波長は、例えば、４３０ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。

【0014】

ｎ型半導体層１１の厚さは、ｐ型半導体層１３の厚さと活性層１２の厚さとの合計厚さよりも厚い。例えば、ｎ型半導体層１１の厚さは、ｐ型半導体層１３の厚さの５倍以上１０倍以下である。ここで、ｎ型半導体層１１、活性層１２、及びｐ型半導体層１３のそれぞれの厚さとは、半導体積層体１０の積層方向における最大厚さである。ｎ型半導体層１１の厚さは、例えば、６μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。活性層１２の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。ｐ型半導体層１３の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。

【0015】

半導体積層体１０においてｎ型半導体層１１、活性層１２、及びｐ型半導体層１３が積層された部分の側面は、第１側面２１と第２側面２２を含む。また、半導体積層体１０は、ｎ側接続面２３とｎ側外周面２４を含む。

【0016】

第１側面２１は、ｐ型半導体層１３の側面及び活性層１２の側面を含む。さらに、第１側面２１は、活性層１２の側面に連続するｎ型半導体層１１の側面の一部を含む。

【0017】

ｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４は、ｎ型半導体層１１における活性層１２及びｐ型半導体層１３が積層されていない領域に形成され、活性層１２及びｐ型半導体層１３から露出している。

【0018】

図２に示すように、平面視において、ｎ型半導体層１１の形状は、４つの直線状の辺部を有する四角形状である。ｐ型半導体層１３の上面１３ａは、１つの第１端部１３ｅ１と４つの第２端部１３ｅ２とを有する。平面視において、第１端部１３ｅ１及び第２端部１３ｅ２は、ｎ型半導体層１１の４つの直線状の辺部よりも内側に位置する。

【0019】

４つの第２端部１３ｅ２が、それぞれ、ｎ型半導体層１１の４つの直線状の辺部に沿って延びている。平面視において、ｎ側外周面２４は、第２端部１３ｅ２と、ｎ型半導体層１１の直線状の辺部との間に位置する。

【0020】

平面視において、ｎ側接続面２３は、四角形状のｎ型半導体層１１の１つの角部を含む領域に位置する。平面視において、ｎ側接続面２３は、第１端部１３ｅ１と隣り合って配置されている。平面視において、第１端部１３ｅ１は、例えば曲線状に形成されている。平面視において、第１端部１３ｅ１は、直線状、または直線と曲線を含む形状であってもよい。

【0021】

図３に示すように、ｐ型半導体層１３の上面１３ａの第１端部１３ｅ１の下方及び第２端部１３ｅ２の下方に第１側面２１が連続している。第１端部１３ｅ１は、ｐ型半導体層１３の上面１３ａと第１側面２１との境界に位置する。第２端部１３ｅ２は、ｐ型半導体層１３の上面１３ａと第１側面２１との境界に位置する。

【0022】

図３に示すように第２側面２２は、第１側面２１とｎ側接続面２３とを接続する。また、第２側面２２は、第１側面２１とｎ側外周面２４とを接続する。第２側面２２は、ｎ型半導体層１１の側面を含み、ｐ型半導体層１３の側面および活性層１２の側面を含まない。断面視において、ｎ側接続面２３は、ｎ側外周面２４と略同一面上に位置している。ｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４は、基板１００の上面と略平行である。

【0023】

ｎ側接続面２３にｎ側電極５２が設けられ、ｎ側電極５２はｎ型半導体層１１と電気的に接続されている。ｐ型半導体層１３の上面１３ａにｐ側電極５１が設けられ、ｐ側電極５１はｐ型半導体層１３と電気的に接続されている。ｐ側電極５１及びｎ側電極５２は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｎｉ又はこれらの金属を主成分とする合金を用いることができる。ｐ側電極５１及びｎ側電極５２は、複数の金属層を含む多層構造とすることができる。ｐ型半導体層１３上にＩＴＯ等からなる透光性電極を設け、その透光性電極上にｐ側電極５１を設けてもよい。

【0024】

絶縁膜６０が、ｐ型半導体層１３の上面１３ａ、第１側面２１、第２側面２２、ｎ側接続面２３、及びｎ側外周面２４を覆っている。絶縁膜６０には、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いることができる。

【0025】

また、絶縁膜６０は、ｐ側電極５１の上面の一部及び側面を覆っている。ｐ側電極５１の上面は、絶縁膜６０に形成された第１開口部６０ａを通じて絶縁膜６０から露出している。絶縁膜６０は、ｎ側電極５２の上面の一部及び側面を覆っている。ｎ側電極５２の上面は、絶縁膜６０に形成された第２開口部６０ｂを通じて絶縁膜６０から露出している。絶縁膜６０から露出するｐ側電極５１の上面及びｎ側電極５２の上面には、外部から電力を供給するための、例えば金属ワイヤ等の接続部材が接続される。

【0026】

ｐ型半導体層１３の上面１３ａと、第１側面２１とは鋭角を形成する。第２側面２２は、ｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４に対して９０°以上の角度を形成する。図３に示す例では、第２側面２２は、ｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４に対して鈍角を形成する。ｐ型半導体層１３の上面１３ａと第１側面２１との間の角度は、例えば、４５°以上８０°以下である。第２側面２２とｎ側接続面２３の間の角度、及び第２側面２２とｎ側外周面２４との間の角度は、例えば、９０°以上１７０°以下である。なお、第１側面２１が曲線を含む形状であり、ｐ型半導体層１３の上面１３ａと第１側面２１の曲線部とが接続されている場合、ｐ型半導体層１３の上面１３ａと第１側面２１との間の角度は、ｐ型半導体層１３の上面１３ａと、ｐ型半導体層１３の上面１３ａに接続する第１側面２１の曲線部における接線との間の角度である。また、第２側面２２が曲線を含む形状であり、ｎ側接続面２３又はｎ側外周面２４と第２側面２２の曲線部とが接続されている場合、ｎ側接続面２３又はｎ側外周面２４と第２側面２２との間の角度は、ｎ側接続面２３又はｎ側外周面２４と、ｎ側接続面２３又はｎ側外周面２４に接続する第２側面２２の曲線部における接線との間の角度である。

【0027】

図３に示す断面視において、活性層１２の側面は、ｐ型半導体層１３の上面１３ａの第１端部１３ｅ１及び第２端部１３ｅ２よりも内側に位置する。また、第２側面２２は、ｐ型半導体層１３の上面１３ａの第１端部１３ｅ１及び第２端部１３ｅ２よりも内側に位置する凹面状の曲面部を有する。

【0028】

図３に示す断面視において、互いに反対側に位置する第１側面２１間の距離は、第１端部１３ｅ１及び第２端部１３ｅ２と接続する上端から、第２側面２２と接続する下端に向かうに従って徐々に小さくなる。図３に示す断面視において、互いに反対側に位置する第２側面２２同士において、ｎ側接続面２３に接続する下端とｎ側外周面２４と接続する下端との間の距離は、第１側面２１と接続する上端間の距離よりも大きい。

【0029】

半導体積層体１０は、基板１００上に例えばＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法で形成される。その後、半導体積層体１０において、ｐ型半導体層１３の上面１３ａのうちｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４を形成する領域以外の領域をマスクで覆い、例えば塩素を含むガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法で半導体積層体１０をｐ型半導体層１３の上面１３ａ側からエッチングする。このエッチングにより、ｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４を形成する領域のｐ型半導体層１３と活性層１２が除去され、さらにｎ型半導体層１１の一部も除去される。これにより、ｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４が形成されるとともに、第１側面２１及び第２側面２２が形成される。

【0030】

一般的に、ＲＩＥにより半導体積層体の一部を除去して形成される半導体積層体の側面は、半導体積層体の上面に対して鈍角を形成する形状になる。本実施形態では、上記ＲＩＥにより半導体積層体１０をエッチングする工程において、処理室内の圧力を例えば１０Ｐａ以上２０Ｐａ以下にすることで、半導体積層体１０に対するサイドエッチングを促進させやすくしている。これにより、ｐ型半導体層１３の上面１３ａと鋭角を形成する第１側面２１を形成することができる。

【0031】

本実施形態の発光素子１を含む発光装置は、発光素子１と、上面に配線パターンを有する配線基板（又は実装基板）と、を備える。本実施形態の発光素子１は、ｎ型半導体層１１を配線基板（又は実装基板）側に位置させ、ｐ型半導体層１３の上面１３ａを上方に向けたいわゆるフェイスアップ実装方式で配線基板に実装される。発光素子１は配線パターンと電気的に接続される。活性層１２からの光は主にｐ型半導体層１３の上面１３ａから半導体積層体１０の外部に取り出される。また、活性層１２の側面及びｐ型半導体層１３の側面を含む第１側面２１からも光は外部に取り出される。

【0032】

本実施形態によれば、活性層１２の側面はｐ型半導体層１３の上面１３ａの第１端部１３ｅ１及び第２端部１３ｅ２よりも内側に位置し、第１側面２１はｐ型半導体層１３の上面１３ａと鋭角を形成している。第１側面２１はいわゆる逆テーパー形状である。このような逆テーパー形状の第１側面２１とすることで、例えば第１側面２１がｐ型半導体層１３の上面１３ａに対して垂直な形状や、ｐ型半導体層１３の上面１３ａと鈍角を形成する順テーパー形状である場合に比べて、第１側面２１で反射して半導体積層体１０の内部に戻る光の量を低減できる。これにより、第１側面２１から半導体積層体１０の外部への光取り出し効率を高くすることができる。

【0033】

また、逆テーパー形状の第１側面２１とすることで、垂直な形状の第１側面２１や順テーパー形状の第１側面２１に比べて、第１側面２１から、下方へ取り出される光が低減し、上方へ取り出される光の量が増える。本実施形態では、ｎ側電極５２が逆テーパー形状の第１側面２１に対向する位置にあるため、ｎ側電極５２が垂直な形状の第１側面２１や順テーパー形状の第１側面２１に対向する位置にある構成に比べて、第１側面２１からｎ側電極５２に向かう光の量を低減し、ｎ側電極５２による光吸収を少なくすることができる。

【0034】

また、第２側面２２は、ｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４に対して９０°以上の角度を形成するため、第２側面２２が第１側面２１と同様の逆テーパー形状である構成に比べて、上記ＲＩＥにより半導体積層体１０をエッチングする工程後に残るｎ型半導体層１１の体積を大きくすることができ、順方向電圧の悪化を低減することができる。すなわち、本実施形態によれば、順方向電圧を維持しつつ、光取り出し効率を向上させることができる。

【0035】

また、ｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４に対して９０°以上の角度を形成する第２側面２２とすることで、垂直な形状や逆テーパー形状の第２側面２２とする場合に比べて、第２側面２２における絶縁膜６０の被覆性が良好になる。

【0036】

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態の発光素子２の模式断面図である。

【0037】

第２実施形態の発光素子２においては、第２側面２２は、ｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４に対して垂直に形成されている。第２側面２２は、ｐ型半導体層１３の上面１３ａに対して垂直に形成されている。ここで、第２側面２２がｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４に対して垂直に形成されているとは、第２側面２２がｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４に対して９０°＋３°の範囲の角度である場合を含む。

【0038】

第１側面２１の形状は第１実施形態と同じである。したがって、第２実施形態においても、第１側面２１で反射して半導体積層体１０の内部に戻る光の量を低減でき、第１側面２１から半導体積層体１０の外部への光取り出し効率を高くすることができる。

【0039】

また、第２側面２２はｎ側接続面２３及びｎ側外周面２４に対して９０°の角度を形成するため、第２側面２２が逆テーパー形状の構成に比べて、半導体積層体１０をＲＩＥした後に残るｎ型半導体層１１の体積を第１実施形態より大きくすることができ、順方向電圧の悪化をさらに低減しやすくすることができる。すなわち、第２実施形態においても、順方向電圧を維持しつつ、光取り出し効率を向上させることができる。

【0040】

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものである。

【符号の説明】

【0041】

１、２…発光素子、１０…半導体積層体、１１…ｎ型半導体層、１２…活性層、１３…ｐ型半導体層、２１…第１側面、２２…第２側面、２３…ｎ側接続面、２４…ｎ側外周面、５１…ｐ側電極、５２…ｎ側電極、６０…絶縁膜、１００…基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】