JP2004349301A - 発光ダイオード素子の電極及び発光ダイオード素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ボンディングの簡便性および密着性を損うことなく、光取り出し効率に優れた発光ダイオード素子の電極および発光ダイオード素子を提供する。
【解決手段】このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０が有するｐ型電極６は、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａとＡｕパッド電極層６ｃとの間に、入射光を反射するＡｇ中間層６ｂを有した。このｐ型電極６を備えたＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０によれば、入射した光を吸収することなく、発光ダイオード素子１０の外へ取り出すことができ、ｐ型電極６のオーミック特性や信頼性を損うこと無く、発光効率を飛躍的に向上できる。
【選択図】 図１
【解決手段】このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０が有するｐ型電極６は、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａとＡｕパッド電極層６ｃとの間に、入射光を反射するＡｇ中間層６ｂを有した。このｐ型電極６を備えたＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０によれば、入射した光を吸収することなく、発光ダイオード素子１０の外へ取り出すことができ、ｐ型電極６のオーミック特性や信頼性を損うこと無く、発光効率を飛躍的に向上できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光特性を向上できる発光ダイオード素子の電極及び発光ダイオード素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フルカラーディスプレイ等の表示素子や種々の光源として広範囲に利用される高輝度な発光ダイオード素子は、その産業利用の用途や範囲が年々拡大している。中でも、青色〜紫外域のみならず、赤色を含めた可視光全域をカバーできる発光材料として、ワイドギャップ半導体であるＩＩＩ族窒化物および酸化亜鉛系半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。
【０００３】
特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００４】
なお、以下において、ＩＩＩ族窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶を含めるものとし、酸化亜鉛系半導体とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めるものとする。
【０００５】
発光ダイオード素子は、通常、ダイオードチップをリードフレームなどに取り付け、ワイヤボンディングなどによって電極とリードフレーム間に配線を施して利用される。このとき、オーミック電極上にパッド電極（あるいは台座電極とも称される）を形成することが一般的に行われている。
【０００６】
例えば、特許第３０６０９３１号公報には、窒化物半導体素子におけるボンデイング用の台座電極として、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等を使用した例が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３０６０９３１号公報
【特許文献２】
特許第２９５８２０９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発光ダイオード素子の電極において、パッド電極の形成は、ワイヤボンディングの簡便性および密着性を向上させることを目的としており、発光に対する透過性や反射性については考慮されていない。
【０００９】
すなわち、パッド電極直下に入射した発光が、上記パッド電極で吸収されると、外部量子効率は大きく低下する。パッド電極直下はキャリア注入効率が最も高く、強く発光している領域である。また、ボンディングの簡便性を考慮すると、パッド電極の大きさは１００μｍ径程度となり、発光ダイオードチップの寸法（２００μｍ〜３００μｍ角）に比べて大きな面積を占める。したがって、このパッド電極に起因する外部量子効率の低下は比較的大きいものとなる。
【００１０】
そこで、本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、ボンディングの簡便性および密着性を損うことなく、光取り出し効率に優れた発光ダイオード素子の電極および発光ダイオード素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ボンディングの簡便性および密着性を損うこと無く、外部量子効率を向上させることのできる電極構造について鋭意検討した結果、電極構造を、オーミック電極層とパッド電極層およびこれらに挾持された中間層の多層構造とすることにより、目的が達せられることを見い出し、本発明に至った。
【００１２】
すなわち、この発明の発光ダイオード素子の電極は、透光性オーミック電極層と、パッド電極層とを少なくとも備え、
上記透光性オーミック電極層と上記パッド電極層の間に、入射光を反射する中間層を有することを特徴としている。
【００１３】
この発明の発光ダイオード素子の電極によれば、上記透光性オーミック電極層と上記パッド電極層の間に、入射光を反射する中間層を有する積層構造とすることにより、この発明の電極に入射した光を、中間層でもって吸収することなく反射させて、発光ダイオード素子の外へ取り出すことができる。このことにより、光取り出し効率が向上する。
【００１４】
なお、上記パッド電極層はボンディングがなされるものであり、ここで、「ボンディング」とは、前述した「ワイヤボンディング」の他に、導電剤を用いてダイオードチップをリードフレームに固定する「ダイボンディング」を含む。また、上記透光性オーミック電極層は、発光ダイオード素子の発光波長の光に対して透光性を有するものである。したがって、発光ダイオード素子の発光は上記透光性オーミック電極層を透過して上記中間層で反射されることになる。
【００１５】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記入射光を反射する中間層が、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌのうちから選択された少なくとも１つを含む。
【００１６】
この実施形態によれば、上記中間層がＰｔ、Ａｇ、Ａｌのうちから選択された少なくとも１つを含み、このＰｔ、Ａｇ、Ａｌは可視光に対する光反射率が高く、特に青色〜紫外域の発光波長に達して高い光反射率を有する。よって、これらＰｔ、Ａｇ、Ａｌのうちの少なくとも１つを含む膜を中間層として用いることにより、光取り出し効率が向上する。
【００１７】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記中間層が、２層以上から成る積層構造である。
【００１８】
この実施形態では、上記中間層を積層構造とすることによって、上記中間層に光反射以外の機能を付加することができる。例えば、上記中間層を、光反射率が高くて上記透光性オーミック電極側に配置される下層と、上記パッド電極側に配置されて密着性を向上させる上層から構成すれば、光取り出し効率とボンディングの信頼性とを同時に向上させることができる。このような機能は、オーミック電極層やパッド電極層だけでは十分に得られにくいが、上記中間層を備えたことによって、上記機能を電極に付与することが可能となり、省電力性と信頼性を向上できる。
【００１９】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記積層構造を成す層のうちの少なくとも１層が、Ｐｔを含む層より成る。
【００２０】
この実施形態によれば、上記積層構造を成す層のうちの少なくとも１層が、Ｐｔを含む層より成るから、青色〜紫外域の発光に対する反射率が特に高く、かつ密着性および耐環境性に優れる電極となる。
【００２１】
また、Ｐｔは、低融点の電極材料が半導体中へ異常拡散するのを防ぐバリアメタルとして機能するので、発光特性と信頼性が飛躍的に向上する。
【００２２】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌのいずれか一方を含む。
【００２３】
この実施形態では、上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌのいずれか一方を含むことによって、ボンディング時に剥がれを生じにくく、十分な密着性が得られる。
【００２４】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記透光性オーミック電極層の厚さが、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にある。
【００２５】
この実施形態では、上記透光性オーミック電極層の厚さが、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にあることによって、透光性に優れると共に、十分に低抵抗なオーミック接触が得られる。すなわち、上記透光性オーミック電極層の厚さが、５ｎｍを下回ると、十分に低抵抗なオーミック接触が得られなくなり、上記厚さが、１００ｎｍを上回ると、透光性に優れるという特性が損なわれる。
【００２６】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記パッド電極層の厚さが、５０ｎｍ乃至１μｍの範囲にある。
【００２７】
この実施形態では、上記パッド電極層の層厚が５０ｎｍ乃至１μｍの範囲にあるから、ボンディング時の耐久性に優れると共に、コストと歩留まりを向上できる。すなわち、上記パッド電極層の層厚が５０ｎｍを下回ると、ボンディング時の耐久性が十分でなくなり、上記層厚が１μｍを上回ると、高コストとなる上にパターン加工などを行う際の歩留まりが低下する。
【００２８】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記中間層の厚さが、３０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にある。
【００２９】
この実施形態では、上記中間層の厚さが、３０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にあるから、十分な光反射率が得られると共に上記パッド電極層に対する密着性を損わない。すなわち、上記中間層の厚さが３０ｎｍを下回ると、発光を反射するのに十分な厚さでなくなり、上記厚さが１００ｎｍを越えるとパッド電極層に対する密着性が乏しくなってボンディング歩留まりが低下する。
【００３０】
また、一実施形態の発光ダイオード素子は、上記発光ダイオード素子の電極と、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｐ型層とを備え、上記電極の上記透光性オーミック電極層はＮｉを含み、上記電極の上記パッド電極層はＡｕを含み、上記ｐ型層上に、少なくとも、上記透光性オーミック電極層、上記中間層、上記パッド電極層が順に形成されている。
【００３１】
この実施形態の発光ダイオード素子では、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｐ型層を備えたことで、青色〜紫外発光素子としてだけでなく、青色〜紫外光よりも更に長波長な発光も補うことができる。したがって、産業利用上極めて利用価値が高く、その特性と信頼性には十分優れていることが求められる。この実施形態の発光ダイオード素子では、上記透光性オーミック電極層がＮｉを含み、かつ上記パッド電極層がＡｕを含んでいるから、光取り出し効率、密着性、省電力性に特に優れる電極を備えた産業上の利用価値が極めて高い発光ダイオード素子を実現できる。
【００３２】
また、一実施形態の発光ダイオード素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｎ型層を備え、上記電極の上記透光性オーミック電極層はＡｌまたはＴｉを含み、上記電極の上記パッド電極層はＡｕまたはＡｌを含み、上記ｎ型層上に、少なくとも、上記透光性オーミック電極層、上記中間層、上記パッド電極層が順に形成されている。
【００３３】
この実施形態の発光ダイオード素子では、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｎ型層を備えたことで、青色〜紫外発光素子としてだけでなく、青色〜紫外光よりも更に長波長な発光も補うことができる。したがって、産業利用上極めて利用価値が高く、その特性と信頼性には十分優れていることが求められる。この実施形態の発光ダイオード素子では、上記透光性オーミック電極層がＡｌまたはＴｉを含み、かつ上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌを含んでいるから、光取り出し効率、密着性、省電力性に特に優れる電極を備えた産業上の利用価値が極めて高い発光ダイオード素子を実現できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００３５】
（第１の実施形態）
図１に、この発明の発光ダイオード素子の第１実施形態を示す。この第１実施形態は、ＩＩＩ族窒化物系半導体を備えたＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０であり、このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０が有するｐ型電極６が、本発明の電極の実施形態をなす。図１は、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０の構造断面図である。
【００３６】
この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０は、Ｇａ面（０００１）を主面とするｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ノンドープＩｎＧａＮ量子井戸発光層３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５およびｐ型電極６が順に積層されている。
【００３７】
上記ｐ型電極６は、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の主表面全面に形成された厚さ１５ｎｍのＮｉ透光性オーミック電極層６ａと、このＮｉ透光性オーミック電極層６ａの中央部上に形成された厚さ５０ｎｍのＡｇ中間層６ｂ、およびＡｇ中間層６ｂ上に形成された厚さ５００ｎｍのＡｕパッド電極層６ｃを備えている。なお、上記Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａはＮｉで作製され、Ａｇ中間層６ｂはＡｇで作製され、Ａｕパッド電極層６ｃはＡｕで作製されている。
【００３８】
また、上記ｎ型ＧａＮ基板１の裏面には、ｎ型オーミック電極７として厚さ１００ｎｍのＡｌが積層されている。
【００３９】
上述の如く、この第１実施形態では、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａとＡｕパッド電極層６ｃの間に、入射光を反射するＡｇ中間層６ｂが形成されている。
【００４０】
また、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０では、結晶成長を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で行い、ｐ型電極６およびｎ型オーミック電極７を電子ビーム蒸着によって形成した。
【００４１】
こうして形成した積層体をチップ状に分離して、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０とした。そして、このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０のｎ型オーミック電極７を、Ａｇペーストでリードフレーム（図示せず）の一方の部分に取り付け、Ａｕパッド電極層６ｃを５０μｍ径のＡｕ線で上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。
【００４２】
このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０に電流を流したところ、３．１Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。
【００４３】
一方、この第１実施形態に対する比較例としての発光ダイオード素子を、Ａｇ中間層６ｂを形成しない他はこの第１実施形態の作製と同様にして作製した。この比較例をリードフレームに実装して発光させたところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、この第１実施形態よりも４０％だけ低かった。
【００４４】
Ａｇ中間層６ｂを備えた第１の実施形態の発光ダイオード素子１０が、上記比較例の発光ダイオード素子に比べて発光強度が高い理由を以下に考察する。
【００４５】
図２は、電極に用いられる種々の金属（Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｕ）について、波長４４０〜６００ｎｍの可視光における光反射率を示したものである。図２により、この第１実施形態の発光ダイオード素子１０の発光波長である４１０ｎｍにおいては、Ａｇが最も反射率が高いことが分かる。これに対し、パッド電極層６ｃを構成するＡｕは、６００ｎｍ以下の短波長領域で反射率が低くなり、波長４１０ｎｍではＡｇに比べ半分以下の反射率しかないことがわかる。
【００４６】
すなわち、この第１実施形態において、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａを透過してパッド電極層６ｃ直下に入射した発光は、Ａｇ中間層６ｂによって大部分が反射され、発光ダイオード素子１０のチップ側面などから外部へ取り出された。これに対して、上記比較例においては、Ａｕパッド電極層６ｃが発光を吸収してしまい、外部量子効率が大きく低下したものと考えられる。
【００４７】
以上において示したように、この第１実施形態では、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａとＡｕパッド電極層６ｃの間に、入射光を反射するＡｇ中間層６ｂを形成することによって、ＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０の外部量子効率が飛躍的に向上した。
【００４８】
また、特に、この第１実施形態のように、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された青色〜紫外域の発光ダイオード素子１０に対しては、Ａｇを含むＡｇ中間層６ｂとすることが好ましいが、Ｐｔを含むＰｔ中間層６ｂとしてもよく、Ａｌを含むＡｌ中間層６ｂとしてもよい。
【００４９】
Ｐｔは、青色〜紫外域の発光に対する反射率が特に高く、かつ半導体層との密着性および酸化還元雰囲気に対する耐性に優れる。また、Ｐｔは、低融点の電極材料が半導体中へ異常拡散するのを防ぐバリアメタルとして機能する。したがって、Ｐｔを含むＰｔ中間層６ｂとした場合には、熱処理などを行ってもオーミック抵抗の増大などが起らず、発光特性と信頼性が飛躍的に向上するので特に好ましい。
【００５０】
次に、図３に、上記第１実施形態において、Ａｇ中間層６ｂの厚さを変えてＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０を作製し、発光強度とボンディング歩留まりの関係を調べた結果を示す。図３において、実線で描いた曲線Ａが発光強度を示し、破線で描いた曲線Ｂがボンディング歩留まりを示す。
【００５１】
ここで、ボンディング歩留りとは、１００個の発光ダイオード素子についてＡｕパッド電極層６ｃをリードフレームにワイヤボンディングし、電極剥れが起らなかったチップ数で定義する。
【００５２】
図３を参照すれば、Ａｇ中間層６ｂにおいて、発光を反射するのに十分な厚さは３０ｎｍ以上である一方、Ａｇ中間層６ｂの厚さが１００ｎｍを越えると密着性が乏しくなってボンディング歩留まりが低下することがわかる。この結果より、Ａｇ中間層６ｂの厚さは、３０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００５３】
また、この第１実施形態では、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａの厚さを１５ｎｍとしたが、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａについては、５ｎｍ以上の厚さを有すれば十分低抵抗なオーミック接触が得られる。この第１実施形態において示したように、ｐ型層（ｐ型ＧａＮコンタクト層５）の低抵抗化が困難で十分な電流広がりが得られない場合には、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａが透光性を有するように、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａを１００ｎｍ以下の厚さに形成することが好ましい。
【００５４】
また、この第１実施形態では、パッド電極層をＡｕパッド電極層６ｃとしたが、パッド電極層については、ワイヤボンディングの密着性が高いＡｕあるいはＡｌで作製すれば、ボンディング時に、剥がれを生じにくくなる。特に、パッド電極層をワイヤボンディングの線材と同じ材料で構成すれば線材との親和性が高くなり好ましい。
【００５５】
なお、この第１実施形態の如く、ｐ型電極６のパッド電極層を、仕事関数の大きいＡｕで作製してＡｕパッド電極層６ｃとした場合には、図４に示す変形例の構造としてもよい。
【００５６】
すなわち、図４の変形例では、図１のＡｕパッド電極層６ｃに替えて、Ａｕパッド電極層１６ｃを備え、図１のＮｉ透光性電極層６ａに替えて、Ｎｉ透光性電極層１６ａを備えた。このＮｉ透光性電極層１６ａは、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の中央の領域上に形成されており、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の上面の全面に広がっていない。そして、上記Ａｕパッド電極層１６ｃは、Ａｇ中間層６ｂ上に形成された部分１６ｃ−１と、Ａｇ中間層６ｂとＮｉ透光性電極層１６ａの側面を覆うと共にｐ型ＧａＮコンタクト層５の上面に接する部分１６ｃ−２を有する。このＡｕパッド電極層１６ｃによれば、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の上面に接する部分１６ｃ−２によって、オーミック接触が得られ易いので好ましい。また、この第１実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に形成されたｎ型オーミック電極７をＡｌで作製したので、パッド電極層となるオーミック電極として好ましい。
【００５７】
これに対し、ｐ型電極６，１６が有するパッド電極層をＡｌパッド電極層とした場合や、ｎ型電極を、ｎ型Ａｌ電極７に替えて、Ａｕパッド電極層とした場合は、光取り出し効率を向上させるという本発明の効果を得ることは可能なものの、電極の接触抵抗が若干増大する。
【００５８】
また、ｐ型電極６，１６が有するＡｕパッド電極層６ｃ，１６ｃおよびｎ型Ａｌ電極７に替えて、ＡｕおよびＡｌを積層あるいは合金化して作製したパッド電極を採用した場合には、接触抵抗の増大に加えて電極の機械強度が著しく低下するので好ましくない。
【００５９】
また、上記Ａｕパッド電極層６ｃの厚さは、５０ｎｍ以上であれば十分な密着性を有し、ワイヤボンディングによって剥れを生じることはない。しかし、Ａｕパッド電極層６ｃが厚すぎると高コストになるばかりでなく、パターン加工などを行う際の歩留りが低下するので、Ａｕパッド電極層６ｃの厚さは１μｍ以下であることが好ましい。
【００６０】
なお、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０では、ＭＢＥ法によって結晶成長を行ったが、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法によっても作製することができる。
【００６１】
また、この第１実施形態の電極形成は電子ビーム蒸着法によって行ったが、スパッタリング法やレーザアブーション法およびこれらの薄膜形成法を混合して用いてもよい。
【００６２】
また、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０では、基板としてｎ型ＧａＮ基板１を用いたが、サファイア基板や、ＺｎＯ、スピネル（尖晶石（ｓｐｉｎｅｌ））、Ｓｉなどを用いても、本発明の電極としての上記ｐ型電極６，１６は、光取り出し効率を向上できるという効果を奏する。また、研磨やエッチングなどの公知の手法でもって、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に凹凸を形成した場合には、ｐ型電極６，１６が備える中間層６ｂで反射されて、ｎ型ＧａＮ基板１に入射した発光を乱反射させて、さらに光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に、図５に、この発明の発光ダイオード素子の第２実施形態を示す。この第２実施形態は、酸化亜鉛系半導体を備えたＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０であり、このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０が有するｐ型電極２６が、本発明の電極の実施形態をなす。図５は、この第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０の構造断面図である。
【００６４】
この第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０は、Ｚｎ面（０００１）を主面とするｎ型ＺｎＯ基板２１上に、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２２、ノンドープＣｄＺｎＯ量子井戸発光層２３、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２４、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２５およびｐ型電極２６が順に積層されている。
【００６５】
また、上記ｐ型電極２６は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２５上の主表面全面に形成された厚さ１５ｎｍのＮｉ透光性オーミック電極層２６ａと、このＮｉ透光性オーミック電極層２６ａ上の中央部に形成された厚さ５０ｎｍのＡｇ下中間層２６ｂ、厚さ３０ｎｍのＰｔ上中間層２６ｃおよび厚さ５００ｎｍのＡｕパッド電極層２６ｄを有している。
【００６６】
上記Ａｇ下中間層２６ｂとＰｔ上中間層２６ｃとが、中間層２６ｃｂをなす。また、上記Ａｇ下中間層２６ｂの裏面は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２５に密着しており、Ｐｔ上中間層２６ｃの上面は、Ａｕパッド電極層２６ｄの裏面に密着している。また、Ｎｉ透光性オーミック電極層２６ａはＮｉで作製され、Ａｇ下中間層２６ｂはＡｇで作製され、Ｐｔ上中間層２６ｃはＰｔで作製されている。また、Ａｕパッド電極層２６ｄはＡｕで作製されている。
【００６７】
また、ｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面には、ｎ型オーミック電極２７として厚さ１００ｎｍのＴｉが積層されている。
【００６８】
この第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０では、結晶成長をレーザＭＢＥ法で行い、ｐ型電極２６およびｎ型オーミック電極２７をスパッタリングによって形成した。
【００６９】
こうして形成した積層体をチップ状に分離して、この第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０とした。そして、このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０のｎ型オーミック電極２７をＡｇペーストでリードフレーム（図示せず）の一方の部分に取り付け、Ａｕパッド電極層２６ｄを５０μｍ径のＡｕ線で上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。
【００７０】
このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０に電流を流したところ、３．１Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４２０ｎｍの青色発光が得られた。
【００７１】
一方、この第２実施形態に対する比較例１としての発光ダイオード素子を、Ａｇ下中間層２６ｂおよびＰｔ上中間層２６ｃを形成しない他は、この第２実施形態の作製と同様にして作製した。この比較例１をリードフレームに実装して発光させたところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、上記第２実施形態よりも４０％低く、ボンディング歩留まりは２０％低下した。
【００７２】
また、上記第２実施形態に対する比較例２としての発光ダイオード素子を、Ａｇ下中間層２６ｂを形成しない他は、上記第２実施形態の作製と同様にして作製した。この比較例２をリードフレームに実装して発光させたところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、上記第２実施形態よりも１０％だけ低かったが、上記比較例１よりも高かった。また、この比較例２のボンディング歩留まりは、上記第２実施形態と同じであった。
【００７３】
さらに、第２実施形態に対する比較例３としての発光ダイオード素子を、Ｐｔ上中間層２６ｃを形成しない他は上記第２実施形態と同様にして作製した。この比較例３を、リードフレームに実装して発光させたところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は第２実施形態とほぼ同じであった。しかし、この比較例３は、第２実施形態に比べて、ボンディング歩留まりが１０％だけ低下した。
【００７４】
また、上記第２実施形態、比較例１、比較例２および比較例３の発光ダイオード素子に対して、それぞれ、５００℃で３分間のアニール処理を行ったところ、第２実施形態および比較例２の発光ダイオード素子は、２０ｍＡの動作電流における駆動電圧が０．１Ｖ低減したが、比較例１および３の発光ダイオード素子では、Ａｕパッド電極層２６ｄからＡｕがｐ型ＺｎＯコンタクト層２５内に異常拡散し、駆動電圧が０．３Ｖ上昇した。
【００７５】
以上に示したように、本発明の発光ダイオード素子の電極は、この第２実施形態のような酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオード素子３０に適用しても効果を奏する。また、この第２実施形態によれば、中間層２６ｃｂをＰｔ上中間層２６ｃとＡｇ下中間層２６ｂの積層構造としたので、Ｐｔ上中間層２６ｃによって、Ａｕパッド電極層２６ｄの密着性が向上する。しかも、Ｐｔ上中間層２６ｃがＡｕの異常拡散を抑止するバリアメタルとして働いたため、高温のアニール処理を行っても電極劣化を生じなかった。
【００７６】
（第３の実施の形態）
次に、図６に、この発明の発光ダイオード素子の第３実施形態であるＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子４０を示す。図６は、このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子４０の構造断面図である。
【００７７】
この第３実施形態は、前述の第２実施形態のｎ型オーミック電極２７に替えてｎ型電極３７を備えた点だけが前述の第２実施形態と異なる。このｎ型電極３７は、厚さ３０ｎｍのＴｉ透光性オーミック電極層３７ａと、厚さ５０ｎｍのＡｇ中間層３７ｂおよび厚さ１μｍのＡｌパッド電極層３７ｃで構成された積層構造である。この第３実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子４０は、上記ｎ型電極３７の他は、第２実施形態の作製と同様にして作製した。なお、このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子４０が有するｐ型電極２６，ｎ型電極３７が、それぞれ、本発明の電極の実施形態をなす。
【００７８】
上記ｎ型電極３７において、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａはｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面に密着されており、Ａｇ中間層３７ｂは、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａとＡｌパッド電極層３７ｃとで挟まれている。また、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａはＴｉで作製され、Ａｇ中間層３７ｂはＡｇで作製され、Ａｌパッド電極層３７ｃはＡｌで作製されている。
【００７９】
この第３実施形態の発光ダイオード素子４０はチップ状に分離され、ｎ型電極３７のＡｌパッド電極層３７ｃを、Ａｇペーストでリードフレーム（図示せず）の一方の部分に取り付け、ｐ型電極２６のＡｕパッド電極層２６ｄを５０μｍ径のＡｕ線で上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。
【００８０】
この発光ダイオード素子４０に電流を流したところ、２０ｍＡの動作電流における駆動電圧が、前述の第２実施形態に比べて、０．１Ｖ低くなり、発光強度は前述の第２実施形態に比べて、２５％高かった。
【００８１】
この第３実施形態の発光ダイオード素子４０は、ｎ型電極３７が、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａおよび光反射率の高いＡｇ中間層３７ｂを備えたから、ｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面での光吸収が低減して発光強度が増大すると共に、Ａｌパッド電極層３７ｃによって接触抵抗が低減したものと考えられる。
【００８２】
なお、この第３実施形態では、基板として、導電性のｎ型ＺｎＯ基板２１を用いたが、サファイアやＬｉＧａＯ２などの絶縁性基板を用いた場合には、基板とｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２２との間にｎ型コンタクト層を形成し、エピタキシャル層の一部をエッチング除去して、上記ｎ型コンタクト層を露出させ、この露出した上記ｎ型コンタクト層の部分上に、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａ、Ａｇ中間層３７ｂ、Ａｌパッド電極層３７ｃを順に形成して、本発明の電極の実施形態としてのｎ型電極３７とすればよい。
【００８３】
なお、上記第３実施形態では、ｎ型電極３７をｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面の全面に形成したが、ｎ型電極３７は、ｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面において、任意の形状にパターニングされていてもよい。このパターニングされたｎ型電極３７でも、Ａｇペーストを用いてリードフレームにダイボンディングすれば高い光反射率を得ることができるが、電極パターニング工程の付与によってコストが増大する。また、パターニングされたｎ型電極３７では、電極面積が小さくなるので、動作電圧が増大する。これに対し、上記第３実施形態の発光ダイオード素子４０によれば、パターニングを行なわなくとも高い光反射率が得られ、また素子抵抗の上昇が生じない。
【００８４】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の発光ダイオード素子の電極によれば、透光性オーミック電極層とパッド電極層の間に、入射光を反射する中間層を形成したので、この電極に入射した光を吸収することなく、発光ダイオード素子の外へ取り出すことができ、電極のオーミック特性や信頼性を損うこと無く、発光効率を飛躍的に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図２】電極金属の可視光における光反射率を示した図である。
【図３】第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子において、中間層の厚さと発光強度およびボンディング歩留まりの関係を示した図である。
【図４】第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子について、他の電極構造を有する変形例を示す構造断面図である。
【図５】この発明の第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図６】この発明の第３実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＮ基板
２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３ ノンドープＩｎＧａＮ量子井戸発光層
４ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
５ ｐ型ＧａＮコンタクト層
６，１６ ｐ型電極
６ａ，１６ａ Ｎｉ透光性オーミック電極層
６ｂ Ａｇ中間層
６ｃ，１６ｃ Ａｕパッド電極層
７ ｎ型オーミック電極
１０，１１ ＩｎＧａＮ発光ダイオード素子
２１ ｎ型ＺｎＯ基板
２２ ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
２３ ノンドープＣｄＺｎＯ量子井戸発光層
２４ ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
２５ ｐ型ＺｎＯコンタクト層
２６ ｐ型電極
２６ａ Ｎｉ透光性オーミック電極層
２６ｂ Ａｇ下中間層
２６ｃ Ｐｔ上中間層
２６ｄ Ａｕパッド電極層
２６ｃｂ 中間層
２７ ｎ型オーミック電極
３７ ｎ型電極
３７ａ Ｔｉ透光性オーミック電極層
３７ｂ Ａｇ中間層
３７ｃ Ａｌパッド電極層
３０，４０ ＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光特性を向上できる発光ダイオード素子の電極及び発光ダイオード素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フルカラーディスプレイ等の表示素子や種々の光源として広範囲に利用される高輝度な発光ダイオード素子は、その産業利用の用途や範囲が年々拡大している。中でも、青色〜紫外域のみならず、赤色を含めた可視光全域をカバーできる発光材料として、ワイドギャップ半導体であるＩＩＩ族窒化物および酸化亜鉛系半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。
【０００３】
特に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有し、高効率・低消費電力で環境性に優れた発光デバイスを実現できる可能性がある。
【０００４】
なお、以下において、ＩＩＩ族窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶を含めるものとし、酸化亜鉛系半導体とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めるものとする。
【０００５】
発光ダイオード素子は、通常、ダイオードチップをリードフレームなどに取り付け、ワイヤボンディングなどによって電極とリードフレーム間に配線を施して利用される。このとき、オーミック電極上にパッド電極（あるいは台座電極とも称される）を形成することが一般的に行われている。
【０００６】
例えば、特許第３０６０９３１号公報には、窒化物半導体素子におけるボンデイング用の台座電極として、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等を使用した例が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３０６０９３１号公報
【特許文献２】
特許第２９５８２０９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発光ダイオード素子の電極において、パッド電極の形成は、ワイヤボンディングの簡便性および密着性を向上させることを目的としており、発光に対する透過性や反射性については考慮されていない。
【０００９】
すなわち、パッド電極直下に入射した発光が、上記パッド電極で吸収されると、外部量子効率は大きく低下する。パッド電極直下はキャリア注入効率が最も高く、強く発光している領域である。また、ボンディングの簡便性を考慮すると、パッド電極の大きさは１００μｍ径程度となり、発光ダイオードチップの寸法（２００μｍ〜３００μｍ角）に比べて大きな面積を占める。したがって、このパッド電極に起因する外部量子効率の低下は比較的大きいものとなる。
【００１０】
そこで、本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、ボンディングの簡便性および密着性を損うことなく、光取り出し効率に優れた発光ダイオード素子の電極および発光ダイオード素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ボンディングの簡便性および密着性を損うこと無く、外部量子効率を向上させることのできる電極構造について鋭意検討した結果、電極構造を、オーミック電極層とパッド電極層およびこれらに挾持された中間層の多層構造とすることにより、目的が達せられることを見い出し、本発明に至った。
【００１２】
すなわち、この発明の発光ダイオード素子の電極は、透光性オーミック電極層と、パッド電極層とを少なくとも備え、
上記透光性オーミック電極層と上記パッド電極層の間に、入射光を反射する中間層を有することを特徴としている。
【００１３】
この発明の発光ダイオード素子の電極によれば、上記透光性オーミック電極層と上記パッド電極層の間に、入射光を反射する中間層を有する積層構造とすることにより、この発明の電極に入射した光を、中間層でもって吸収することなく反射させて、発光ダイオード素子の外へ取り出すことができる。このことにより、光取り出し効率が向上する。
【００１４】
なお、上記パッド電極層はボンディングがなされるものであり、ここで、「ボンディング」とは、前述した「ワイヤボンディング」の他に、導電剤を用いてダイオードチップをリードフレームに固定する「ダイボンディング」を含む。また、上記透光性オーミック電極層は、発光ダイオード素子の発光波長の光に対して透光性を有するものである。したがって、発光ダイオード素子の発光は上記透光性オーミック電極層を透過して上記中間層で反射されることになる。
【００１５】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記入射光を反射する中間層が、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌのうちから選択された少なくとも１つを含む。
【００１６】
この実施形態によれば、上記中間層がＰｔ、Ａｇ、Ａｌのうちから選択された少なくとも１つを含み、このＰｔ、Ａｇ、Ａｌは可視光に対する光反射率が高く、特に青色〜紫外域の発光波長に達して高い光反射率を有する。よって、これらＰｔ、Ａｇ、Ａｌのうちの少なくとも１つを含む膜を中間層として用いることにより、光取り出し効率が向上する。
【００１７】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記中間層が、２層以上から成る積層構造である。
【００１８】
この実施形態では、上記中間層を積層構造とすることによって、上記中間層に光反射以外の機能を付加することができる。例えば、上記中間層を、光反射率が高くて上記透光性オーミック電極側に配置される下層と、上記パッド電極側に配置されて密着性を向上させる上層から構成すれば、光取り出し効率とボンディングの信頼性とを同時に向上させることができる。このような機能は、オーミック電極層やパッド電極層だけでは十分に得られにくいが、上記中間層を備えたことによって、上記機能を電極に付与することが可能となり、省電力性と信頼性を向上できる。
【００１９】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記積層構造を成す層のうちの少なくとも１層が、Ｐｔを含む層より成る。
【００２０】
この実施形態によれば、上記積層構造を成す層のうちの少なくとも１層が、Ｐｔを含む層より成るから、青色〜紫外域の発光に対する反射率が特に高く、かつ密着性および耐環境性に優れる電極となる。
【００２１】
また、Ｐｔは、低融点の電極材料が半導体中へ異常拡散するのを防ぐバリアメタルとして機能するので、発光特性と信頼性が飛躍的に向上する。
【００２２】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌのいずれか一方を含む。
【００２３】
この実施形態では、上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌのいずれか一方を含むことによって、ボンディング時に剥がれを生じにくく、十分な密着性が得られる。
【００２４】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記透光性オーミック電極層の厚さが、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にある。
【００２５】
この実施形態では、上記透光性オーミック電極層の厚さが、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にあることによって、透光性に優れると共に、十分に低抵抗なオーミック接触が得られる。すなわち、上記透光性オーミック電極層の厚さが、５ｎｍを下回ると、十分に低抵抗なオーミック接触が得られなくなり、上記厚さが、１００ｎｍを上回ると、透光性に優れるという特性が損なわれる。
【００２６】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記パッド電極層の厚さが、５０ｎｍ乃至１μｍの範囲にある。
【００２７】
この実施形態では、上記パッド電極層の層厚が５０ｎｍ乃至１μｍの範囲にあるから、ボンディング時の耐久性に優れると共に、コストと歩留まりを向上できる。すなわち、上記パッド電極層の層厚が５０ｎｍを下回ると、ボンディング時の耐久性が十分でなくなり、上記層厚が１μｍを上回ると、高コストとなる上にパターン加工などを行う際の歩留まりが低下する。
【００２８】
また、一実施形態の発光ダイオード素子の電極は、上記中間層の厚さが、３０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にある。
【００２９】
この実施形態では、上記中間層の厚さが、３０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にあるから、十分な光反射率が得られると共に上記パッド電極層に対する密着性を損わない。すなわち、上記中間層の厚さが３０ｎｍを下回ると、発光を反射するのに十分な厚さでなくなり、上記厚さが１００ｎｍを越えるとパッド電極層に対する密着性が乏しくなってボンディング歩留まりが低下する。
【００３０】
また、一実施形態の発光ダイオード素子は、上記発光ダイオード素子の電極と、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｐ型層とを備え、上記電極の上記透光性オーミック電極層はＮｉを含み、上記電極の上記パッド電極層はＡｕを含み、上記ｐ型層上に、少なくとも、上記透光性オーミック電極層、上記中間層、上記パッド電極層が順に形成されている。
【００３１】
この実施形態の発光ダイオード素子では、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｐ型層を備えたことで、青色〜紫外発光素子としてだけでなく、青色〜紫外光よりも更に長波長な発光も補うことができる。したがって、産業利用上極めて利用価値が高く、その特性と信頼性には十分優れていることが求められる。この実施形態の発光ダイオード素子では、上記透光性オーミック電極層がＮｉを含み、かつ上記パッド電極層がＡｕを含んでいるから、光取り出し効率、密着性、省電力性に特に優れる電極を備えた産業上の利用価値が極めて高い発光ダイオード素子を実現できる。
【００３２】
また、一実施形態の発光ダイオード素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｎ型層を備え、上記電極の上記透光性オーミック電極層はＡｌまたはＴｉを含み、上記電極の上記パッド電極層はＡｕまたはＡｌを含み、上記ｎ型層上に、少なくとも、上記透光性オーミック電極層、上記中間層、上記パッド電極層が順に形成されている。
【００３３】
この実施形態の発光ダイオード素子では、ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｎ型層を備えたことで、青色〜紫外発光素子としてだけでなく、青色〜紫外光よりも更に長波長な発光も補うことができる。したがって、産業利用上極めて利用価値が高く、その特性と信頼性には十分優れていることが求められる。この実施形態の発光ダイオード素子では、上記透光性オーミック電極層がＡｌまたはＴｉを含み、かつ上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌを含んでいるから、光取り出し効率、密着性、省電力性に特に優れる電極を備えた産業上の利用価値が極めて高い発光ダイオード素子を実現できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
【００３５】
（第１の実施形態）
図１に、この発明の発光ダイオード素子の第１実施形態を示す。この第１実施形態は、ＩＩＩ族窒化物系半導体を備えたＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０であり、このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０が有するｐ型電極６が、本発明の電極の実施形態をなす。図１は、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０の構造断面図である。
【００３６】
この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０は、Ｇａ面（０００１）を主面とするｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ノンドープＩｎＧａＮ量子井戸発光層３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４、ｐ型ＧａＮコンタクト層５およびｐ型電極６が順に積層されている。
【００３７】
上記ｐ型電極６は、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の主表面全面に形成された厚さ１５ｎｍのＮｉ透光性オーミック電極層６ａと、このＮｉ透光性オーミック電極層６ａの中央部上に形成された厚さ５０ｎｍのＡｇ中間層６ｂ、およびＡｇ中間層６ｂ上に形成された厚さ５００ｎｍのＡｕパッド電極層６ｃを備えている。なお、上記Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａはＮｉで作製され、Ａｇ中間層６ｂはＡｇで作製され、Ａｕパッド電極層６ｃはＡｕで作製されている。
【００３８】
また、上記ｎ型ＧａＮ基板１の裏面には、ｎ型オーミック電極７として厚さ１００ｎｍのＡｌが積層されている。
【００３９】
上述の如く、この第１実施形態では、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａとＡｕパッド電極層６ｃの間に、入射光を反射するＡｇ中間層６ｂが形成されている。
【００４０】
また、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０では、結晶成長を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で行い、ｐ型電極６およびｎ型オーミック電極７を電子ビーム蒸着によって形成した。
【００４１】
こうして形成した積層体をチップ状に分離して、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０とした。そして、このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０のｎ型オーミック電極７を、Ａｇペーストでリードフレーム（図示せず）の一方の部分に取り付け、Ａｕパッド電極層６ｃを５０μｍ径のＡｕ線で上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。
【００４２】
このＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０に電流を流したところ、３．１Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４１０ｎｍの青色発光が得られた。
【００４３】
一方、この第１実施形態に対する比較例としての発光ダイオード素子を、Ａｇ中間層６ｂを形成しない他はこの第１実施形態の作製と同様にして作製した。この比較例をリードフレームに実装して発光させたところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、この第１実施形態よりも４０％だけ低かった。
【００４４】
Ａｇ中間層６ｂを備えた第１の実施形態の発光ダイオード素子１０が、上記比較例の発光ダイオード素子に比べて発光強度が高い理由を以下に考察する。
【００４５】
図２は、電極に用いられる種々の金属（Ａｇ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｕ）について、波長４４０〜６００ｎｍの可視光における光反射率を示したものである。図２により、この第１実施形態の発光ダイオード素子１０の発光波長である４１０ｎｍにおいては、Ａｇが最も反射率が高いことが分かる。これに対し、パッド電極層６ｃを構成するＡｕは、６００ｎｍ以下の短波長領域で反射率が低くなり、波長４１０ｎｍではＡｇに比べ半分以下の反射率しかないことがわかる。
【００４６】
すなわち、この第１実施形態において、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａを透過してパッド電極層６ｃ直下に入射した発光は、Ａｇ中間層６ｂによって大部分が反射され、発光ダイオード素子１０のチップ側面などから外部へ取り出された。これに対して、上記比較例においては、Ａｕパッド電極層６ｃが発光を吸収してしまい、外部量子効率が大きく低下したものと考えられる。
【００４７】
以上において示したように、この第１実施形態では、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａとＡｕパッド電極層６ｃの間に、入射光を反射するＡｇ中間層６ｂを形成することによって、ＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０の外部量子効率が飛躍的に向上した。
【００４８】
また、特に、この第１実施形態のように、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成された青色〜紫外域の発光ダイオード素子１０に対しては、Ａｇを含むＡｇ中間層６ｂとすることが好ましいが、Ｐｔを含むＰｔ中間層６ｂとしてもよく、Ａｌを含むＡｌ中間層６ｂとしてもよい。
【００４９】
Ｐｔは、青色〜紫外域の発光に対する反射率が特に高く、かつ半導体層との密着性および酸化還元雰囲気に対する耐性に優れる。また、Ｐｔは、低融点の電極材料が半導体中へ異常拡散するのを防ぐバリアメタルとして機能する。したがって、Ｐｔを含むＰｔ中間層６ｂとした場合には、熱処理などを行ってもオーミック抵抗の増大などが起らず、発光特性と信頼性が飛躍的に向上するので特に好ましい。
【００５０】
次に、図３に、上記第１実施形態において、Ａｇ中間層６ｂの厚さを変えてＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０を作製し、発光強度とボンディング歩留まりの関係を調べた結果を示す。図３において、実線で描いた曲線Ａが発光強度を示し、破線で描いた曲線Ｂがボンディング歩留まりを示す。
【００５１】
ここで、ボンディング歩留りとは、１００個の発光ダイオード素子についてＡｕパッド電極層６ｃをリードフレームにワイヤボンディングし、電極剥れが起らなかったチップ数で定義する。
【００５２】
図３を参照すれば、Ａｇ中間層６ｂにおいて、発光を反射するのに十分な厚さは３０ｎｍ以上である一方、Ａｇ中間層６ｂの厚さが１００ｎｍを越えると密着性が乏しくなってボンディング歩留まりが低下することがわかる。この結果より、Ａｇ中間層６ｂの厚さは、３０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００５３】
また、この第１実施形態では、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａの厚さを１５ｎｍとしたが、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａについては、５ｎｍ以上の厚さを有すれば十分低抵抗なオーミック接触が得られる。この第１実施形態において示したように、ｐ型層（ｐ型ＧａＮコンタクト層５）の低抵抗化が困難で十分な電流広がりが得られない場合には、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａが透光性を有するように、Ｎｉ透光性オーミック電極層６ａを１００ｎｍ以下の厚さに形成することが好ましい。
【００５４】
また、この第１実施形態では、パッド電極層をＡｕパッド電極層６ｃとしたが、パッド電極層については、ワイヤボンディングの密着性が高いＡｕあるいはＡｌで作製すれば、ボンディング時に、剥がれを生じにくくなる。特に、パッド電極層をワイヤボンディングの線材と同じ材料で構成すれば線材との親和性が高くなり好ましい。
【００５５】
なお、この第１実施形態の如く、ｐ型電極６のパッド電極層を、仕事関数の大きいＡｕで作製してＡｕパッド電極層６ｃとした場合には、図４に示す変形例の構造としてもよい。
【００５６】
すなわち、図４の変形例では、図１のＡｕパッド電極層６ｃに替えて、Ａｕパッド電極層１６ｃを備え、図１のＮｉ透光性電極層６ａに替えて、Ｎｉ透光性電極層１６ａを備えた。このＮｉ透光性電極層１６ａは、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の中央の領域上に形成されており、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の上面の全面に広がっていない。そして、上記Ａｕパッド電極層１６ｃは、Ａｇ中間層６ｂ上に形成された部分１６ｃ−１と、Ａｇ中間層６ｂとＮｉ透光性電極層１６ａの側面を覆うと共にｐ型ＧａＮコンタクト層５の上面に接する部分１６ｃ−２を有する。このＡｕパッド電極層１６ｃによれば、ｐ型ＧａＮコンタクト層５の上面に接する部分１６ｃ−２によって、オーミック接触が得られ易いので好ましい。また、この第１実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に形成されたｎ型オーミック電極７をＡｌで作製したので、パッド電極層となるオーミック電極として好ましい。
【００５７】
これに対し、ｐ型電極６，１６が有するパッド電極層をＡｌパッド電極層とした場合や、ｎ型電極を、ｎ型Ａｌ電極７に替えて、Ａｕパッド電極層とした場合は、光取り出し効率を向上させるという本発明の効果を得ることは可能なものの、電極の接触抵抗が若干増大する。
【００５８】
また、ｐ型電極６，１６が有するＡｕパッド電極層６ｃ，１６ｃおよびｎ型Ａｌ電極７に替えて、ＡｕおよびＡｌを積層あるいは合金化して作製したパッド電極を採用した場合には、接触抵抗の増大に加えて電極の機械強度が著しく低下するので好ましくない。
【００５９】
また、上記Ａｕパッド電極層６ｃの厚さは、５０ｎｍ以上であれば十分な密着性を有し、ワイヤボンディングによって剥れを生じることはない。しかし、Ａｕパッド電極層６ｃが厚すぎると高コストになるばかりでなく、パターン加工などを行う際の歩留りが低下するので、Ａｕパッド電極層６ｃの厚さは１μｍ以下であることが好ましい。
【００６０】
なお、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０では、ＭＢＥ法によって結晶成長を行ったが、固体あるいは気体原料を用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、レーザ分子線エピタキシー（レーザＭＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などの結晶成長手法によっても作製することができる。
【００６１】
また、この第１実施形態の電極形成は電子ビーム蒸着法によって行ったが、スパッタリング法やレーザアブーション法およびこれらの薄膜形成法を混合して用いてもよい。
【００６２】
また、この第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子１０では、基板としてｎ型ＧａＮ基板１を用いたが、サファイア基板や、ＺｎＯ、スピネル（尖晶石（ｓｐｉｎｅｌ））、Ｓｉなどを用いても、本発明の電極としての上記ｐ型電極６，１６は、光取り出し効率を向上できるという効果を奏する。また、研磨やエッチングなどの公知の手法でもって、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に凹凸を形成した場合には、ｐ型電極６，１６が備える中間層６ｂで反射されて、ｎ型ＧａＮ基板１に入射した発光を乱反射させて、さらに光取り出し効率が向上するので好ましい。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に、図５に、この発明の発光ダイオード素子の第２実施形態を示す。この第２実施形態は、酸化亜鉛系半導体を備えたＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０であり、このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０が有するｐ型電極２６が、本発明の電極の実施形態をなす。図５は、この第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０の構造断面図である。
【００６４】
この第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０は、Ｚｎ面（０００１）を主面とするｎ型ＺｎＯ基板２１上に、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２２、ノンドープＣｄＺｎＯ量子井戸発光層２３、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層２４、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２５およびｐ型電極２６が順に積層されている。
【００６５】
また、上記ｐ型電極２６は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２５上の主表面全面に形成された厚さ１５ｎｍのＮｉ透光性オーミック電極層２６ａと、このＮｉ透光性オーミック電極層２６ａ上の中央部に形成された厚さ５０ｎｍのＡｇ下中間層２６ｂ、厚さ３０ｎｍのＰｔ上中間層２６ｃおよび厚さ５００ｎｍのＡｕパッド電極層２６ｄを有している。
【００６６】
上記Ａｇ下中間層２６ｂとＰｔ上中間層２６ｃとが、中間層２６ｃｂをなす。また、上記Ａｇ下中間層２６ｂの裏面は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層２５に密着しており、Ｐｔ上中間層２６ｃの上面は、Ａｕパッド電極層２６ｄの裏面に密着している。また、Ｎｉ透光性オーミック電極層２６ａはＮｉで作製され、Ａｇ下中間層２６ｂはＡｇで作製され、Ｐｔ上中間層２６ｃはＰｔで作製されている。また、Ａｕパッド電極層２６ｄはＡｕで作製されている。
【００６７】
また、ｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面には、ｎ型オーミック電極２７として厚さ１００ｎｍのＴｉが積層されている。
【００６８】
この第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０では、結晶成長をレーザＭＢＥ法で行い、ｐ型電極２６およびｎ型オーミック電極２７をスパッタリングによって形成した。
【００６９】
こうして形成した積層体をチップ状に分離して、この第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０とした。そして、このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０のｎ型オーミック電極２７をＡｇペーストでリードフレーム（図示せず）の一方の部分に取り付け、Ａｕパッド電極層２６ｄを５０μｍ径のＡｕ線で上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。
【００７０】
このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子３０に電流を流したところ、３．１Ｖの駆動電圧で２０ｍＡの電流が流れ、発光ピーク波長４２０ｎｍの青色発光が得られた。
【００７１】
一方、この第２実施形態に対する比較例１としての発光ダイオード素子を、Ａｇ下中間層２６ｂおよびＰｔ上中間層２６ｃを形成しない他は、この第２実施形態の作製と同様にして作製した。この比較例１をリードフレームに実装して発光させたところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、上記第２実施形態よりも４０％低く、ボンディング歩留まりは２０％低下した。
【００７２】
また、上記第２実施形態に対する比較例２としての発光ダイオード素子を、Ａｇ下中間層２６ｂを形成しない他は、上記第２実施形態の作製と同様にして作製した。この比較例２をリードフレームに実装して発光させたところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は、上記第２実施形態よりも１０％だけ低かったが、上記比較例１よりも高かった。また、この比較例２のボンディング歩留まりは、上記第２実施形態と同じであった。
【００７３】
さらに、第２実施形態に対する比較例３としての発光ダイオード素子を、Ｐｔ上中間層２６ｃを形成しない他は上記第２実施形態と同様にして作製した。この比較例３を、リードフレームに実装して発光させたところ、２０ｍＡの動作電流における発光強度は第２実施形態とほぼ同じであった。しかし、この比較例３は、第２実施形態に比べて、ボンディング歩留まりが１０％だけ低下した。
【００７４】
また、上記第２実施形態、比較例１、比較例２および比較例３の発光ダイオード素子に対して、それぞれ、５００℃で３分間のアニール処理を行ったところ、第２実施形態および比較例２の発光ダイオード素子は、２０ｍＡの動作電流における駆動電圧が０．１Ｖ低減したが、比較例１および３の発光ダイオード素子では、Ａｕパッド電極層２６ｄからＡｕがｐ型ＺｎＯコンタクト層２５内に異常拡散し、駆動電圧が０．３Ｖ上昇した。
【００７５】
以上に示したように、本発明の発光ダイオード素子の電極は、この第２実施形態のような酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオード素子３０に適用しても効果を奏する。また、この第２実施形態によれば、中間層２６ｃｂをＰｔ上中間層２６ｃとＡｇ下中間層２６ｂの積層構造としたので、Ｐｔ上中間層２６ｃによって、Ａｕパッド電極層２６ｄの密着性が向上する。しかも、Ｐｔ上中間層２６ｃがＡｕの異常拡散を抑止するバリアメタルとして働いたため、高温のアニール処理を行っても電極劣化を生じなかった。
【００７６】
（第３の実施の形態）
次に、図６に、この発明の発光ダイオード素子の第３実施形態であるＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子４０を示す。図６は、このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子４０の構造断面図である。
【００７７】
この第３実施形態は、前述の第２実施形態のｎ型オーミック電極２７に替えてｎ型電極３７を備えた点だけが前述の第２実施形態と異なる。このｎ型電極３７は、厚さ３０ｎｍのＴｉ透光性オーミック電極層３７ａと、厚さ５０ｎｍのＡｇ中間層３７ｂおよび厚さ１μｍのＡｌパッド電極層３７ｃで構成された積層構造である。この第３実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子４０は、上記ｎ型電極３７の他は、第２実施形態の作製と同様にして作製した。なお、このＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子４０が有するｐ型電極２６，ｎ型電極３７が、それぞれ、本発明の電極の実施形態をなす。
【００７８】
上記ｎ型電極３７において、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａはｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面に密着されており、Ａｇ中間層３７ｂは、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａとＡｌパッド電極層３７ｃとで挟まれている。また、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａはＴｉで作製され、Ａｇ中間層３７ｂはＡｇで作製され、Ａｌパッド電極層３７ｃはＡｌで作製されている。
【００７９】
この第３実施形態の発光ダイオード素子４０はチップ状に分離され、ｎ型電極３７のＡｌパッド電極層３７ｃを、Ａｇペーストでリードフレーム（図示せず）の一方の部分に取り付け、ｐ型電極２６のＡｕパッド電極層２６ｄを５０μｍ径のＡｕ線で上記リードフレームの他方の部分にボンディングした後、樹脂でモールドした。
【００８０】
この発光ダイオード素子４０に電流を流したところ、２０ｍＡの動作電流における駆動電圧が、前述の第２実施形態に比べて、０．１Ｖ低くなり、発光強度は前述の第２実施形態に比べて、２５％高かった。
【００８１】
この第３実施形態の発光ダイオード素子４０は、ｎ型電極３７が、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａおよび光反射率の高いＡｇ中間層３７ｂを備えたから、ｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面での光吸収が低減して発光強度が増大すると共に、Ａｌパッド電極層３７ｃによって接触抵抗が低減したものと考えられる。
【００８２】
なお、この第３実施形態では、基板として、導電性のｎ型ＺｎＯ基板２１を用いたが、サファイアやＬｉＧａＯ２などの絶縁性基板を用いた場合には、基板とｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層２２との間にｎ型コンタクト層を形成し、エピタキシャル層の一部をエッチング除去して、上記ｎ型コンタクト層を露出させ、この露出した上記ｎ型コンタクト層の部分上に、Ｔｉ透光性オーミック電極層３７ａ、Ａｇ中間層３７ｂ、Ａｌパッド電極層３７ｃを順に形成して、本発明の電極の実施形態としてのｎ型電極３７とすればよい。
【００８３】
なお、上記第３実施形態では、ｎ型電極３７をｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面の全面に形成したが、ｎ型電極３７は、ｎ型ＺｎＯ基板２１の裏面において、任意の形状にパターニングされていてもよい。このパターニングされたｎ型電極３７でも、Ａｇペーストを用いてリードフレームにダイボンディングすれば高い光反射率を得ることができるが、電極パターニング工程の付与によってコストが増大する。また、パターニングされたｎ型電極３７では、電極面積が小さくなるので、動作電圧が増大する。これに対し、上記第３実施形態の発光ダイオード素子４０によれば、パターニングを行なわなくとも高い光反射率が得られ、また素子抵抗の上昇が生じない。
【００８４】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の発光ダイオード素子の電極によれば、透光性オーミック電極層とパッド電極層の間に、入射光を反射する中間層を形成したので、この電極に入射した光を吸収することなく、発光ダイオード素子の外へ取り出すことができ、電極のオーミック特性や信頼性を損うこと無く、発光効率を飛躍的に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図２】電極金属の可視光における光反射率を示した図である。
【図３】第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子において、中間層の厚さと発光強度およびボンディング歩留まりの関係を示した図である。
【図４】第１実施形態のＩｎＧａＮ発光ダイオード素子について、他の電極構造を有する変形例を示す構造断面図である。
【図５】この発明の第２実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【図６】この発明の第３実施形態のＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子の構造断面図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＮ基板
２ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３ ノンドープＩｎＧａＮ量子井戸発光層
４ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
５ ｐ型ＧａＮコンタクト層
６，１６ ｐ型電極
６ａ，１６ａ Ｎｉ透光性オーミック電極層
６ｂ Ａｇ中間層
６ｃ，１６ｃ Ａｕパッド電極層
７ ｎ型オーミック電極
１０，１１ ＩｎＧａＮ発光ダイオード素子
２１ ｎ型ＺｎＯ基板
２２ ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層
２３ ノンドープＣｄＺｎＯ量子井戸発光層
２４ ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層
２５ ｐ型ＺｎＯコンタクト層
２６ ｐ型電極
２６ａ Ｎｉ透光性オーミック電極層
２６ｂ Ａｇ下中間層
２６ｃ Ｐｔ上中間層
２６ｄ Ａｕパッド電極層
２６ｃｂ 中間層
２７ ｎ型オーミック電極
３７ ｎ型電極
３７ａ Ｔｉ透光性オーミック電極層
３７ｂ Ａｇ中間層
３７ｃ Ａｌパッド電極層
３０，４０ ＣｄＺｎＯ発光ダイオード素子
Claims (10)
- 透光性オーミック電極層と、パッド電極層とを少なくとも備え、
上記透光性オーミック電極層と上記パッド電極層の間に、入射光を反射する中間層を有することを特徴とする発光ダイオード素子の電極。 - 請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記入射光を反射する中間層が、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｌのうちから選択された少なくとも１つを含むことを特徴とする発光ダイオード素子の電極。 - 請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記中間層が、２層以上から成る積層構造であることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。 - 請求項３に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記積層構造を成す層のうちの少なくとも１層が、Ｐｔを含む層より成ることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。 - 請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記パッド電極層がＡｕまたはＡｌのいずれか一方を含むことを特徴とする発光ダイオード素子の電極。 - 請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記透光性オーミック電極層の厚さが、５ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。 - 請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記パッド電極層の厚さが、５０ｎｍ乃至１μｍの範囲にあることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。 - 請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極において、
上記中間層の厚さが、３０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲にあることを特徴とする発光ダイオード素子の電極。 - 請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極と、
ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｐ型層とを備え、
上記電極の上記透光性オーミック電極層はＮｉを含み、上記電極の上記パッド電極層はＡｕを含み、
上記ｐ型層上に、少なくとも、上記透光性オーミック電極層、上記中間層、上記パッド電極層が順に形成されたことを特徴とする発光ダイオード素子。 - 請求項１に記載の発光ダイオード素子の電極と、
ＩＩＩ族窒化物半導体あるいは酸化亜鉛系半導体で構成されたｎ型層を備え、
上記電極の上記透光性オーミック電極層はＡｌまたはＴｉを含み、上記電極の上記パッド電極層はＡｕまたはＡｌを含み、
上記ｎ型層上に、少なくとも、上記透光性オーミック電極層、上記中間層、上記パッド電極層が順に形成されたことを特徴とする発光ダイオード素子。
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