JP4359263B2

JP4359263B2 - 半導体発光装置

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Publication number: JP4359263B2
Application number: JP2005145853A
Authority: JP
Inventors: 幸男尺田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: US20060261361A1; JP2006324433A; US7592633B2

Description

本発明は基板上に複数個の発光部が形成され、直並列に接続されることにより、たとえば１００Ｖの商用交流電源で照明用の電灯や蛍光管の代りに使用したり、標識や自動車の照明などに使用したりし得るような半導体発光装置に関する。さらに詳しくは、発光ユニット間でショート不良が発生して、発光装置そのものが動作不能になるという問題の発生しにくい信頼性の高い構造の半導体発光装置に関する。

近年、青色系発光ダイオード（ＬＥＤ）の出現により、ディスプレイの光源や信号装置の光源などにＬＥＤが用いられ、さらに電灯や蛍光管の代りにＬＥＤが用いられるようになってきている。この電灯や蛍光管に代ってＬＥＤを用いる場合、１００Ｖの交流駆動でそのまま動作することが好ましく、たとえば図５に示されるように、ＬＥＤを直並列に接続し、交流電源７１に接続する構成のものが知られている。なお、Ｓはスイッチを示す（たとえば特許文献１参照）。

一方、このようなＬＥＤ部を直並列に接続した発光装置をモノリシックに集積化することも考えられている（たとえば特許文献２参照）。この構造は、たとえば図６に示されるように、サファイア基板６０上にｉ−ＧａＮ層６１、ｎ−ＧａＮコンタクト層６２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６３、ＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる活性層６４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６５、ｐ−ＧａＮコンタクト層６６が順次積層され、ｎ−ＧａＮコンタクト層６２が露出するように半導体積層部の一部をエッチングすると共に、さらに隣接するＬＥＤの境界部をｉ−ＧａＮ層６１に達するまでエッチングして溝７０を形成し、その溝７０内にＳｉＯ₂膜６７を形成し、ｐ−ＧａＮコンタクト層６６上に透明電極６８を形成し、ｎ−ＧａＮコンタクト層６２と透明電極６８とを連結するように金属電極６９を設けることにより、形成されている。そして、この各電極を１個おきに第１の電源配線と第２の電源配線に接続することにより交流電源７１に接続し、１個ごと逆向きにして並列接続することが開示されている。
特開平１０−０８３７０１号公報（図３）特開２０００−１０１１３６号公報（図６）

前述のように、複数個のＬＥＤを直並列に接続した発光装置をモノリシックにより形成するには、１つの基板上に半導体層を積層した後に、各発光ユニットを電気的に分離するため分離溝を形成して沢山の発光ユニットを形成するが、その分離溝上には配線膜が形成されるため、分離溝を広くすると配線に断線が生じる可能性がある。そのため、この分離溝は２μｍ程度の非常に狭い溝に形成される。しかし、窒化物半導体層は、非常に硬く安定した材料であり、ドライエッチングによらなければエッチングすることができず、エッチングにより削り取られた半導体材料などの不要物が付着しやすく、形成された分離溝にも埋まりやすい。その結果、分離溝を形成して分離したつもりでも、分離溝内に埋まる不要物によりショートする場合がある。この場合、図５に示されるような回路図で縦方向に隣接する２個の発光ユニット間でショートする場合には、１個分の発光ユニットが使用できないだけで済むためあまり問題はないが、この発光ユニットの配置は四角状のチップ内に折返し状に形成されたり、リング状に形成されたりするため、半導体層などを介して一端側と他端側の発光ユニットまたは一端側と中間部の発光ユニットとがショートする場合があり、そのような発光ユニット間でショートすると、発光装置として動作しなくなるという問題がある。

一方、分理溝の幅を広くして電気的分離の信頼性を高めようとすると、半導体積層部の表面側に絶縁膜を介して配線膜が形成されるが、絶縁膜が溝内に落ち込んでしまい、配線膜も断線になりやすく、配線膜の信頼性が低下するという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、複数の発光ユニットをモノリシック化してその複数の発光ユニットを直並列に接続し、高輝度化する半導体発光装置において、配線などの信頼性を維持しながら、発光ユニット間のショート不良などの問題が生じ難く信頼性の高い半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、複数の発光ユニットをモノリシック化してその複数の発光ユニットを直並列に接続し、高輝度化する半導体発光装置において、ショート不良に対する信頼性を高めると共に、光の取出し効率を上げて外部量子効率を向上させることができる構造の半導体発光装置を提供することにある。

本発明による半導体発光装置は、基板と、該基板上に発光層を形成するように半導体層を積層して半導体積層部が形成され、該半導体積層部が複数個に電気的に分離されると共に、それぞれに一対の導電形層への電気的接続部が設けられる複数個の発光ユニットと、該複数個の発光ユニットを、それぞれ直列および／または並列に接続するために前記電気的接続部に接続される配線膜とを有し、前記複数個の発光ユニットのそれぞれは、少なくとも第１の分離溝および該第１の分離溝より外側に形成される第２の分離溝からなる２重の分離溝により半導体積層部の導電形層が電気的に分離され、前記第１および第２の分離溝のそれぞれは、０.６〜５μｍの幅に形成されると共に、少なくとも表面側の内部に絶縁膜が充填され、該絶縁膜を介して前記第１および第２の分離溝上に前記配線膜が形成されている。

前記第２の分離溝は、回路的に隣接する複数個の前記発光ユニットを発光ユニット群として他の発光ユニットまたは発光ユニット群から電気的に分離する分離溝により形成されていてもよい。ここに回路的に隣接する複数個とは、逆並列接続された２個の発光ユニットによる１または数単位とか、直列接続される場合の隣接する２個または数個の発光ユニットを意味する。すなわち、各発光ユニットは１個ごと少なくとも２重の分離溝により分離されていてもよいし、少なくとも１個の分離溝により分離された発光ユニットが複数個ブロックとして第２の分離溝により分離されていても、ブロック内でショートが発生した場合には、そのブロックだけがショートすることになるだけで、全体的には問題なく動作を続けることができるので、大きな支障はない。前記発光ユニット群が、２つの発光ユニットが逆並列に接続された２個の発光ユニットにより形成されてもよい。

前記第１および第２の分離溝の１つの少なくとも一部は、隣接する発光ユニットまたは隣接する複数個の前記発光ユニットを有する発光ユニット群の分離溝と共用して形成されていてもよい。
隣接する複数個の発光ユニットまたは複数個の前記発光ユニットを有する発光ユニット群のそれぞれの第２の分離溝の間の少なくとも一部の半導体積層部が除去される構造にすることもできる。

隣接する複数個の発光ユニットまたは複数個の前記発光ユニットを有する発光ユニット群の２つの間に形成されるそれぞれの第２の分離溝の間に前記半導体積層部が残されてダミー領域が形成され、該ダミー領域に少なくとも第３の分離溝が形成されることにより、前記分離溝が３列以上並列して形成されていることにより、電気的分離の信頼性が向上するのみならず、ダミー領域における屈折率の変化の数が多くなるため、横方向に進む光の進行方向が不規則に変化して外部に光を取りだしやすくなり、外部量子効率が向上するというメリットもある。
前記第３の分離溝は、平面形状がジグザグ状に形成されていてもよい。また、前記第３の分離溝は配線膜の下には形成されない構造にすることができる。

さらに具体的には、前記半導体積層部は、窒化物半導体からなるｎ形層、活性層およびｐ形層を含み、発光層を形成するように形成されていることにより青色や紫外光の発光装置とすることができ、発光色変換材料を塗布したり、他の緑および赤の発光素子の光と混合したりすることにより、白色光としやすいため、照明装置などにするのに都合がよい。
前記半導体積層部の前記基板側に、半絶縁層の窒化物半導体層が形成される構造にすることができる。さらに、前記半導体積層部が青色光または紫外光を発光するように形成され、該半導体積層部表面に青色光または紫外光を白色光に変換する発光色変換部材が設けられることにより、白色光の発光装置にすることができる。

ここに窒化物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物（窒化物）からなる半導体をいう。

本発明によれば、各発光ユニットに関して、少なくとも２重の分離溝が形成されているため、分離溝におけるショートの問題を大幅に減少させることができる。すなわち、本来分離溝により発光ユニットはそれぞれ電気的に分離されているのであるが、その分離溝が２重に形成されていることにより、１個の発光ユニットの２重の分離溝が共にショートになる可能性は非常に低くなるからである。一方、分離溝の幅は従来と同様に０.６〜５μｍ程度、好ましくは１〜３μｍ程度に形成されているため、ＳｉＯ₂などの保護膜を形成すると、その溝の中は少なくとも表面側が埋まり、その上に形成される配線膜に断線などが生じる可能性も殆ど発生しない。その結果、発光ユニット間のショートや配線の断線などの問題が非常に起こりにくい信頼性の高い半導体発光装置が得られる。なお、２重の分離溝の１つが回路的に隣接する複数個の発光ユニットをブロックとして形成されていても、そのブロック内でショートが発生した場合、回路的に隣接した発光ユニット間でショートが発生するだけで、１００Ｖ間に直列に接続される発光ユニット全体から見ると、非常に僅かな部分となり、発光装置としては、殆ど問題なく動作を続けることができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光装置について説明をする。本発明による半導体発光装置は、図１にその一実施形態の断面説明図（（ｃ）のＡ−Ａ断面）、１個の発光ユニット１の部分および全体例の平面説明図がそれぞれ示されるように、基板１上に発光層を形成するように半導体層を積層して半導体積層部１７が形成され、その半導体積層部１７が複数個に電気的に分離されると共に、それぞれに一対の導電形層への電気的接続部１９、２０が設けられることにより複数個の発光ユニット１（１ａ、１ｂ）が形成され、この複数個の発光ユニット１を、それぞれ直列および／または並列に接続するように電気的接続部１９、２０に配線膜３が接続されている。本発明では、この複数個の発光ユニット１のそれぞれは、少なくとも２重の分離溝（第１の分離溝１７ａ、第２の分離溝１７ｂ）により半導体積層部１７の導電形層が電気的に分離されている。

第１および第２の分離溝１７ａ、１７ｂは、図１（ａ）に示されるように、半絶縁層である高温バッファ層１３に達するか、基板１１が露出する深さに形成されると共に、それぞれの発光ユニット１を取り囲むように第１の分離溝１７ａが形成され、さらに図１（ｂ）に示されるように、バッファ領域１７ｃを介して第２の分離溝１７ｂが同様に発光ユニット１を取り囲むように形成されている。第１および第２の分離溝１７ａ、１７ｂは、その幅ｗが０.６〜５μｍ程度、さらに好ましくは１〜３μｍ程度、たとえば２〜３μｍ程度の幅で半導体積層部１７がドライエッチングされることにより形成されている。この幅が狭すぎると、導電形半導体層の電気的分離が充分ではなく、また、広すぎるとこの上に保護膜を介して配線膜３が形成されるが、その配線膜３に断線などの問題が生じやすいからである。この第１および第２の分離溝１７ａ、１７ｂの間隔はとくに制限されない。また、第２の分離溝１７ｂは、それぞれの発光ユニット１を囲むように形成されなくても、後述するようにブロックごとに囲む構造に形成することもできる。

図１に示される例では、図１（ａ）から明らかなように、配線膜３の無い部分にも第２の分離溝１７ｂの周囲には、半導体積層部１７がそのまま残されて、第２のダミー領域１７ｄが形成されているが、この第２のダミー領域１７ｄの半導体積層部１７を基板１１の近傍まで除去して光を外に取りだしやすくしてもよいし、この第２のダミー領域１７ｄに溝を何列も並列して設けることにより半導体積層部１７と空気層または絶縁膜層による屈折率の違いに基づく光の進行方向の変化により光を取りだしやすくする構造にしてもよい。この場合、配線膜３の下側には溝を形成しなければ、溝の幅は光の取りだしやすいように自由に設定することができるし、後述するように、第１および第２の分離溝１７ａ、１７ｂと同様の細い溝を配線膜３の下も含めて何重にも形成し、電気的分離特性を高めながら、光の取出し効率を向上させることもできる。

図１に示される例では、青色発光の発光ユニット１（以下、単にＬＥＤともいう）が窒化物半導体の積層により形成され、その表面に図示しない、たとえばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体やＳｒ-Ｚｎ-Ｌａ蛍光体などからなる発光色変換部材が設けられることにより、白色光を発光する発光装置として形成される。そのため、半導体積層部１７は、図１に簡略化して一例の積層構造が示されるように、窒化物半導体層の積層により形成されている。しかし、赤、緑、青の３原色の発光ユニットを形成して白色光になるようにすることもできるし、必ずしも白色光にする必要はなく、所望の発光色の発光部に形成することができる。

基板１１としては、窒化物半導体を積層するには、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）またはＳｉＣが用いられるが、図１に示される例では、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）が用いられている。しかし、基板は積層される半導体層に応じて格子定数や熱膨張係数などの観点から選ばれる。

サファイア基板１１上に積層される半導体積層部１７は、たとえば図１に示されるように、ＧａＮからなる低温バッファ層１２が０.００５〜０.１μｍ程度、ついでアンドープのＧａＮからなる高温バッファ層１３が１〜３μｍ程度、その上にＳｉをドープしたｎ形ＧａＮからなるコンタクト層およびｎ形ＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなる障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）などにより形成されるｎ形層１４が１〜５μｍ程度、たとえば２.９μｍ程度、バンドギャップエネルギーが障壁層のそれよりも小さくなる材料、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層１５が０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｐ形障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）とｐ形ＧａＮからなるコンタクト層とによるｐ形層１６が合せて０.２〜１μｍ程度、たとえば０.６μｍ、それぞれ順次積層されることにより形成されている。なお、図では、ｎ形層１４の露出面と透光性導電層１８の表面までの高さが大きく見える図になっているが、実際には１.５〜２μｍ程度で、半導体積層部１７全体の厚さ６.５μｍ程度よりはるかに小さい。

図１に示される例では、アンドープで、半絶縁性のＧａＮからなる高温バッファ層１３が形成されている。基板がサファイアのような絶縁性基板からなる場合には、必ずしも半絶縁になっていなくても基板まで後述する分離溝を形成すれば支障はないが、アンドープにした方が積層する半導体層の結晶性が良くなるため、さらには、半絶縁性半導体層が設けられていることにより、各発光部に電気的分離する際に、基板表面までを完全にエッチングしなくても、電気的に分離することができるため好ましい。基板１１がＳｉＣのような半導体基板からなる場合には、隣接する発光部間を電気的に分離させるため、アンドープで半絶縁性の高温バッファ層１３が形成されることが各発光部を独立させるために必要となる。

また、ｎ形層１４およびｐ形層１６は、障壁層とコンタクト層の２種類で構成する例であったが、キャリアの閉じ込め効果の点から活性層６側にＡｌを含む層が設けられることが好ましいものの、ＧａＮ層だけ、またはＡｌＧａＮ系化合物層だけでもよい。また、これらを他の窒化物半導体層で形成することもできるし、他の半導体層がさらに介在されてもよい。さらに、この例では、ｎ形層１４とｐ形層１６とで活性層１５が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。また、活性層１５上に直接ｐ形ＡｌＧａＮ系化合物層を成長したが、数ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＮ系化合物層を成長することにより、活性層１５の下側にピット発生層を形成して活性層１５にできたピットを埋め込みながら、ｐ形層とｎ形層との接触によるリークを防止することもできる。

半導体積層部１７上には、たとえばＺｎＯなどからなり、ｐ形半導体層１６とオーミックコンタクトをとることができる透光性導電層１８が０.０１〜０.５μｍ程度設けられている。この透光性導電層１８は、ＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯやＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でも、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができる。この半導体積層部１７の一部がエッチングにより除去されてｎ形層１４が露出され、さらにそのｎ形層１４の露出部の端部側のｎ形層１４および高温バッファ層１３を基板１の近傍まで０.６〜５μｍ幅（ｗ）、たとえば２〜３μｍ幅でエッチングすることにより第１の分離溝１７ａが形成されている。この場合、同時に第１のダミー領域１７ｃの間隔を置いて、第２の分離溝を第１の分離溝１７ａと同様の幅および深さで形成されている。なお、隣接する発光ユニット１の第２の分離溝１７ｂの間には、前述のように、第２のダミー領域１７ｃが残されているが、前述のように、この部分の半導体積層部１７を除去して光を外に取りだしやすくすることもできる。

そして、透光性導電層１８および露出したｎ形層１４の表面全面にＳｉＯ₂などの保護膜２１を形成し、パターニングにより、ｐ側接続部１９およびｎ側接続部２０を露出させる。その後、配線膜３の材料であるＴｉをリフトオフ法により形成し、さらにｎ形層１４との電気的接続部２０の部分にはＡｌ膜を設けて、合金化させ、さらに他の配線部分にＡｕ膜を形成することにより、発光ユニットを直列または並列に接続する配線膜３を形成する。この配線膜３は、ＡｕまたはＡｌなどの金属膜を真空蒸着またはスパッタリングなどにより０.３〜１μｍ程度の厚さに形成されている。すなわち、電極と配線膜とが同じ材料で同時に形成されている。なお、別途ｎ側電極およびｐ側電極を、たとえばＴｉ-Ａｌ合金、Ｔｉ／Ａｕ積層構造により形成して、別の材料で配線膜３を形成することもできる。

たとえば、図１に示されるように、第１および第２の分離溝１７ａ、１７ｂで分離された１つの発光部１ａのｎ側接続部２０と隣接する発光ユニット１ｂのｐ側接続部１９とを順次接続していけば、直列に接続することができ、１個当り３.５〜５Ｖの動作電圧の合計が１００Ｖ近く（厳密には抵抗やキャパシタを直列に接続することにより調整できる）になるまで接続して、その組を並列に、しかもｐｎの接続方向が逆方向になるように並列に接続することにより、１００ＶのＡＣ駆動をする明るい光源にすることができる。また、図１（ｃ）に発光ユニット１の配置例の一例が示されるように、ｐｎ接合が逆方向に並列接続された２個１組の発光ユニットを直列に接続して、合計の動作電圧が１００Ｖに近くなるまで直列接続してもよい。このような配置の等価回路図は図２に示されるようになる。なお、この接続で明るさが充分ではない場合には、さらにこれらの組を形成して並列に接続することもできる。

つぎに、図１に示される構造の半導体発光装置の製法について説明をする。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、キャリアガスのＨ₂と共にトリメチリガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの反応ガスおよびｎ形にする場合のドーパントガスとしてのＳｉＨ₄、ｐ形にする場合のドーパントガスとしてのシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）などの必要なガスを供給して順次成長する。

まず、たとえばサファイアからなる基板１１上に、たとえば４００〜６００℃程度の低温で、ＧａＮ層からなる低温バッファ層１２を０.００５〜０.１μｍ程度成膜した後、温度を６００〜１２００℃程度の高温に上げて、アンドープのＧａＮからなる半絶縁性の高温バッファ層１３を１〜３μｍ程度、Ｓｉをドープしたｎ形ＧａＮおよびＡｌＧａＮ系化合物半導体からなるｎ形層１４を１〜５μｍ程度成膜する。

つぎに、成長温度を４００〜６００℃の低温に下げて、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層６を０.０５〜０.３μｍ程度成膜する。

ついで、成長装置内の温度を６００〜１２００℃程度に上げ、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層およびＧａＮからなるｐ形層１６を合せて０.２〜１μｍ程度積層する。

その後、表面にＳｉ₃Ｎ₄などの保護膜を設けてｐ形ドーパントの活性化のため、４００〜８００℃程度で１０〜６０分程度のアニールを行い、たとえばＺｎＯ層をＭＢＥ、スパッタ、真空蒸着、ＰＬＤ、イオンプレーティングなどの方法により０.１〜０.５μｍ程度成膜することにより透光性導電層１８を形成する。ついで、ｎ側電極２０を形成するため、ｎ形層１４が露出するように、積層された半導体積層部１７の一部を塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングによりエッチングする。引き続き第１および第２の分離溝１７ａ、１７ｂを形成するため、その部分を開口させたマスクを形成し同様にドライエッチングをすることにより第１のダミー領域１７ｃを挟んでそれぞれ発光ユニット１を囲む第１および第２の分離溝１７ａ、１７ｂを形成する。この分離溝１７ａ、１７ｂは、共にｎ形層を越えて半絶縁層（高温バッファ層１３）または絶縁性の基板１１に達するまで行う。

つぎに、全面にＳｉＯ₂などの絶縁膜２１を形成し、パターニングすることにより、透光性導電層１８の一部およびｎ形層１４の一部を露出させることにより、ｐ側接続部１９およびｎ側接続部２０を形成する。そして、リフトオフ法などにより、ＴｉとＡｌを、それぞれ０.１μｍ程度と、０.３μｍ程度、スパッタリングまたは真空蒸着により連続して付着し、ＲＴＡ加熱により６００℃程度で５秒間の熱処理をすることにより合金化して、ｎ側接続部２０およびｐ側接続部１９と接続するように配線膜３を形成する。この配線膜３は、前述のように、発光ユニット１が所望の接続になるように形成される。なお、ｐ側接続部１９のオーミックコンタクトが充分ではない場合には、ｐ側接続部１８にＴｉとＡｕをそれぞれ０.１μｍと０.３μｍ程度づつ真空蒸着して配線膜３と接続してもよい。あるいは配線膜３の表面全体にＡｕ膜を形成してもよい。これらは、リフトオフ法により簡単に形成することができる。その後、複数個の発光ユニット１からなる発光ユニット群および配線膜３、電極パッド４からなる１素子分ごとにウェハからチップ化することにより、半導体発光装置のチップが得られる。なお、配線膜３を形成する際に、図１（ｃ）に示されるように、配線膜３と同じ材料で同時に外部と接続用の電極パッド４を形成する。

前述の例では、第２の分離溝１７ｂが第１の分離溝１７ａの外周にそれぞれの発光ユニット１を囲むように形成されていたが、第２の分離溝１７ｂは、必ずしも発光ユニット１を１個ごと囲わなくても、ブロックごとに囲むように形成されていてもよい。その例が図３に示されている。すなわち、図３において、逆並列に接続された２個の発光ユニット１ａと１ｃを１ブロックとしてこの２個の発光ユニット１ａ、１ｃを囲むように第２の分離溝１７ｂが形成されている。もちろんそれぞれの発光ユニット１ａ、１ｃのそれぞれの周囲には、第１の分離溝１７ａが形成されており、たとえば発光ユニット１ａは、第１の分離溝１７ａと第２の分離溝１７ｂにより２重に分離された構造になっている。図３（ｂ）に全体の発光ユニット１のブロック構成例が示されている。なお、ブロックの構成例はこの例に限らず、たとえば直列に接続される２個または数個の発光ユニットを１ブロックとしてもよいし、前述の逆並列に接続された２個単位を複数組まとめて１ブロックとすることもできる。

このようなブロック単位で第２の分離溝１７ｂを形成すると、そのブロック内で第１の分離溝１７ａによる分離が完全でない場合には相互間でショートの問題が発生するが、１個の発光ユニット１は３Ｖ程度であり、実際には１００Ｖ近くになるまで直列に発光ユニットが接続されるため、そのうちの２個または３個程度がショートして短絡しても、全体としては殆ど影響が無く、全体の動作には影響しない。したがって、集積度を上げるためには、第２の分離溝１７ｂをこのようにブロック単位として少なくすることにより、小さなチップ面積でより多くの発光ユニット１を形成することができる。

図４（ａ）は、本発明の半導体発光装置の他の実施形態を示す図１（ａ）と同様の断面説明図である。すなわち、図４（ａ）において、前述の第２のダミー領域（隣接する発光ユニット１のそれぞれの第２の分離溝１７ｂの間の領域）に第３の分離溝１７ｊを残存部１７ｋを挟んで複数個並列に形成されている（図４（ａ）では１組の第３の分離溝１７ｊと残存部１７ｋしか表示されていないが、実際にはさらに複数列形成され得る）。第３の分離溝１７ｊの幅ｊは、図４（ｂ）に平面説明図が示されるように、前述の第１および第２の分離溝１７ａ、１７ｂの幅ｗとほぼ同じで０.６〜５μｍ程度、好ましくは１〜３μｍ程度、残存部１７ｋの幅ｋも、たとえば１〜３μｍ程度に形成される。この第３の分離溝が形成されることにより、発光ユニット１で発光して横方向に進む光が、ダミー領域１７ｃや残存部１７ｋの屈折率と、第３の分離溝１７ｊ（内部に絶縁膜２１が埋まる）の屈折率とが異なり、光の方向が変るため、外部に光が出やすくなり、外部量子効率を向上させることができる。すなわち、絶縁膜２１は、たとえばＳｉＯ₂などからなり屈折率は１.５〜１.７程度で、窒化物半導体層の屈折率２.５〜２.７よりも小さいため、この屈折率の相違で反射や屈折により光の方向が変って外側に出やすくなる。

一方で、第３の分離溝１７ｊの幅ｊは、前述のように非常に狭いため、その上を配線膜３が跨いで形成されても、第３の分離溝１７ｊ内には絶縁膜２１が埋め込まれており、配線膜３の断線の心配は無い。この第３の分離溝１７ｊは、たとえば図４（ｂ）に平面説明図が示されるように、平行に形成されていてもよいが、図４（ｃ）に示されるように、平面形状でジグザグ状に形成されることにより、光の進行方向がさらに変りやすくなり、光の取出し効率が向上して好ましい。このような第３の分離溝１７ｊの形成も、前述の第１および第２の分離溝１７ａ、１７ｂを形成するのと同様に、ドライエッチングなどにより半導体積層部１７をエッチングする際に、その表面に直線状の溝またはジグザグ状の溝の開口パターンが形成されたレジスト膜などによるマスクを形成しておくだけで、同様のエッチングにより簡単に形成することができる。

以上のように、本発明によれば、発光ユニット間でのショート不良が殆ど無くなり、たとえばサージなどにより絶縁膜が絶縁破壊を起こして短絡した場合でも、従来はその破壊の場所により殆ど全体の輝度が低下してしまう場合があったのに対して、本発明によれば、その破壊を起こした１個または２個が不良になるだけで、たとえば４８個の発光ユニットのうち、２個が不良になっても、５％程度の輝度の低下で動作を続けることができる。その結果、歩留まり、長寿命化に寄与すると共に、信頼性が非常に向上する。さらに、チップ全体として、サージ耐性が上がることになる。

本発明による半導体発光装置の一実施形態の断面および平面の説明図である。図１の発光ユニットの接続を示す等価回路図を示す図である。本発明による半導体発光装置の他の実施形態を示す断面説明図である。本発明による半導体発光装置のさらに他の実施形態を示す断面説明図である。ＬＥＤを用いて照明装置を形成する従来の回路例を示す図である。ＬＥＤユニットをモノリシックで形成し照明装置を形成する従来の構造例を示す図である。

符号の説明

１発光ユニット
３配線膜
４電極パッド
１１基板
１３高温バッファ層
１４ｎ形層
１５活性層
１６ｐ形層
１７半導体積層部
１７ａ第１の分離溝
１７ｂ第２の分離溝
１７ｃダミー領域
１７ｊ第３の分離溝
１７ｋ残存部
１８透光性導電層
１９ｐ側接続部
２０ｎ側接続部
２１絶縁膜

Claims

基板と、該基板上に発光層を形成するように半導体層を積層して半導体積層部が形成され、該半導体積層部が複数個に電気的に分離されると共に、それぞれに一対の導電形層への電気的接続部が設けられる複数個の発光ユニットと、該複数個の発光ユニットを、それぞれ直列および／または並列に接続するために前記電気的接続部に接続される配線膜とを有し、前記複数個の発光ユニットのそれぞれは、少なくとも第１の分離溝および該第１の分離溝より外側に形成される第２の分離溝からなる２重の分離溝により半導体積層部の導電形層が電気的に分離され、前記第１および第２の分離溝のそれぞれは、０.６〜５μｍの幅に形成されると共に、少なくとも表面側の内部に絶縁膜が充填され、該絶縁膜を介して前記第１および第２の分離溝上に前記配線膜が形成されてなる半導体発光装置。
前記第２の分離溝は、回路的に隣接する複数個の前記発光ユニットを発光ユニット群として他の発光ユニットまたは発光ユニット群から電気的に分離する分離溝により形成されてなる請求項１記載の半導体発光装置。
前記発光ユニット群が、２つの発光ユニットが逆並列に接続された２個の発光ユニットからなる請求項２記載の半導体発光装置。
前記第１および第２の分離溝の１つの少なくとも一部は、隣接する発光ユニットまたは隣接する複数個の前記発光ユニットを有する発光ユニット群の分離溝と共用して形成されてなる請求項１ないし３のいずれか１項記載の半導体発光装置。
隣接する複数個の発光ユニットまたは複数個の前記発光ユニットを有する発光ユニット群のそれぞれの第２の分離溝の間の少なくとも一部の半導体積層部が除去されてなる請求項１ないし４のいずれか１項記載の半導体発光装置。
隣接する複数個の発光ユニットまたは複数個の前記発光ユニットを有する発光ユニット群の２つの間に形成されるそれぞれの第２の分離溝の間に前記半導体積層部が残されてダミー領域が形成され、該ダミー領域に少なくとも第３の分離溝が形成されることにより、前記分離溝が３列以上並列して形成されてなる請求項１ないし５記載の半導体発光装置。
前記第３の分離溝は、平面形状がジグザグ状に形成されてなる請求項６記載の半導体発光装置。
前記第３の分離溝は配線膜の下には形成されない構造である請求項６または７記載の半導体発光装置。
前記半導体積層部は、窒化物半導体からなるｎ形層、活性層およびｐ形層を含み、発光層を形成するように形成されてなる請求項１ないし８のいずれか１項記載の半導体発光装置。
前記半導体積層部の前記基板側に、半絶縁層の窒化物半導体層が形成されてなる請求項１ないし９のいずれか１項記載の半導体発光装置。
前記半導体積層部が青色光または紫外光を発光するように形成され、該半導体積層部表面に青色光または紫外光を白色光に変換する発光色変換部材が設けられてなる請求項９または１０記載の半導体発光装置。