JPH0629570A - 発光素子構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ｐｎ接合部から放出される光を効率的に外部
へ取り出すことができ、高輝度の発光が可能なＬＥＤ等
の発光素子構造を提供すること。 【構成】 ｐ型／ｎ型半導体層とｎ型／ｐ型半導体層と
をｐｎ接合し、光取り出し面上に上部電極を、反対側裏
面上に下部電極を形成する発光素子構造であって、上部
電極７直下方向のｐｎ接合部１と上部電極７間に電流ブ
ロック層２を形成してなり、望ましくは該電流ブロック
層２が、ｎ型またはｐ型半導体層あるいは電気絶縁性層
であって、さらに望ましくは該電流ブロック層２が、上
部電極と同一または相似形に形成されてなり、その横断
面積が上部電極の少なくとも１／２を有し、かつ、その
厚さが０．０５〜１０．０μｍに形成されるものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高輝度が得られる発光
ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＥＤ等の発光素子は、計器等の数値表
示や各種表示板に多用されている。一般的に使用される
発光素子構造は、例えば図５で示すように、ｎ型／ｐ型
半導体基板６上に積層したｎ型／ｐ型半導体層５とｐ型
／ｎ型半導体層４とを接合させてｐｎ接合部１を形成
し、上記ｐ型／ｎ型半導体層４あるいは必要に応じてさ
らに電流拡散層３を積層して、この表面（以下、光取り
出し面という）上にドット状の電極（以下、上部電極と
いう）７を設け、上記基板６の表面（以下、裏面とい
う）上に平板状の電極（以下、下部電極という）８を形
成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の発光素子構造に
よれば、上部電極７の直下方向のｐｎ接合部が、最も電
流が注入される領域となるので、発光素子はこの部分で
発光量が最も多くなり強発光となる。ところが、この強
発光は、光取り出し面に向かって発せられるが、その直
上部にある上部電極によって吸収され、素子外部に効率
的に取り出すことができず、発光素子の輝度が低下す
る。このように、従来の発光素子構造では輝度が低く、
市場ではさらに高輝度の発光素子の開発が強く望まれて
いる。これに応じて様々な改良が提案されているが、上
記要望を十分満足させる発光素子は未だ開発されていな
いのが現状である。

【０００４】本発明の目的は、上記の課題を解消し、ｐ
ｎ接合部から放出される光を効率よく外部に取り出すこ
とができ、高輝度の発光が可能なＬＥＤ等の発光素子構
造を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記問題
を解消するため種々検討した結果、上部電極直下方向の
ｐｎ接合部に電流が集中して注入されない構造とするこ
とで、上記目的が達成できることを見出し本発明を完成
した。即ち、本発明の発光素子構造は、ｎ型半導体層と
ｐ型半導体層とをｐｎ接合し、光取り出し面上に上部電
極を、反対側裏面上に下部電極を形成する発光素子構造
であって、該上部電極直下方向のｐｎ接合部と上部電極
間に電流ブロック層を形成してなり、望ましくは該電流
ブロック層が、ｎ型またはｐ型半導体層あるいは電気絶
縁性層であって、さらに望ましくは該電流ブロック層
が、上部電極と同一または相似形に形成されてなり、そ
の面積が上部電極の少なくとも１／２を有し、かつ、そ
の厚さが０．０５〜１０．０μｍに形成されるものであ
る。

【０００６】

【作用】上記構成によれば、上部電極とその直下方向の
ｐｎ接合部間に電流ブロック層を形成したので、電流は
このブロック層を迂回して流れるようになり、上記ブロ
ック層直下方向のｐｎ接合部周囲に電流が集中して流れ
る。したがって、上部電極直下のｐｎ接合部分に電流が
集中することが防止される。また、ブロック層直下方向
のｐｎ接合部周囲に電流が集中して流れるので、この部
分が強発光となり、この強発光は上部電極に吸収されに
くくなる。したがって、発光素子の強発光を効率的に外
部に取り出すことが可能となり、発光素子の輝度を向上
させることができる。

【０００７】以下、本発明を図面に基づきより詳細に説
明する。図１は、本発明の発光素子の基本構成を示す模
式断面図である。前記従来の発光素子と同一箇所には同
一符号を付し、その詳細な説明は省略する。同図におい
て、前記図５と相違するところは、上部電極７の直下方
向の電流拡散層３とｐ型／ｎ型半導体層４との境界部９
に電流ブロック層２を形成している点である。

【０００８】本発明の発光素子を構成する半導体材料と
しては特に制限はなく、通常ＬＥＤ等の発光素子材料と
して用いられるものがいずれも使用できる。その具体例
としては、ＩｎＰ系，ＧａＡｓ系，ＧａＰ系，ＡｌＧａ
Ａｓ系，ＧａＩｎＰ系，ＧａＩｎＡｓ系等の各種ｐ型ま
たはｎ型半導体を用いたものが挙げられる。図４は発光
素子の伝導型を示すものであって、本発明の発光素子構
造では図４（ａ）または（ｂ）のいずれの構成としても
よい。

【０００９】なお、電流拡散層３は必要に応じて設けら
れ、通常キャリア濃度が５×１０¹⁷cm^-3以上の高キャリ
ア濃度層が適用される。上部電極直下に該層３を設ける
ことにより、電流拡散性が改善されて、上部電極とｐｎ
接合部との距離が近接していても、しかも上部電極とし
て面積の小さいドット状電極を用いた場合でも、ｐｎ接
合部の全面に電流が流れるようになり、発光素子の輝度
が向上するので好ましい。

【００１０】この電流拡散層は、例えばＧａＩｎｐ系に
ついて述べると、ｐ型ＧａＩｎｐ層上に高キャリア濃度
のｐ⁺ ＧａＩｎｐ層をエピタキシャル成長により形成す
る方法、ｐ型ＧａＩｎｐ層としてエピタキシャル成長し
た後、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｃｄ等の不純物拡散によって
表面層のキャリア濃度を高くして電流拡散層とする方
法、ｐ型の不純物をイオン化してｐ型ＧａＩｎｐ層表面
に打ち込むイオン注入法によって電流拡散層を形成する
方法などが挙げられる。

【００１１】この電流拡散層の厚さは、この層自身が光
の自己吸収性を有するため、電流拡散効果を発揮する限
りにおいては可及的に薄い方が好ましく、通常は５μｍ
以下、好ましくは３μｍ以下とするのがよい。

【００１２】上部電極７は、直下層がｐ層の場合、Ａｕ
Ｂｅ，ＡｕＺｎ，ＡｕＳｎ、また、直下層がｎ層の場
合、ＡｕＧｅ等の材料を、半導体素子の光取り出し面の
表面に真空蒸着等の方法により被着した後、パターニン
グ、アニーリング等の通常の処理を施し、半導体の光取
り出し面の中央部や端部等の適当な位置に任意の形状に
成形する。この電極の形状は、特に制限はなく各種形状
が採用可能であるが、形成の容易性などの点からドット
状電極とすることが好ましい。

【００１３】下部電極８は、直下層がｎ層の場合、Ａｕ
Ｂｅ，ＡｕＺｎ，ＡｕＳｎ、直下層がｐ層の場合、Ａｕ
Ｇｅ等の材料を、上部電極７の場合と同様にして発光素
子下部表面に被着し、ダイシング等の方法により平板状
等の任意の大きさに成形する。

【００１４】電流ブロック層２は、電流を阻止する機能
を有するものであればよく、本発明では、ｐ型またはｎ
型半導体あるいは電気絶縁性材料により電流ブロック層
を形成して電流阻止機能を持たせるものである。上記ｐ
型またはｎ型半導体からなる電流ブロック層は、半導体
の整流作用を利用して電流阻止機能を持たせるものであ
る。この整流作用とは、図３で示すように、半導体中に
ｐｎ接合部を形成すると、例えば（Ａ）の場合では、電
流は半導体中を流れるが、（Ｂ）の場合では、電流は流
れず絶縁体になることをいい、本発明はこの絶縁体にな
る性質を利用するものである。

【００１５】上記ｐ型またはｎ型半導体としては基板に
格子整合する材料であればいずれも使用でき、例えばＡ
ｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ ｓｕｂ．系ではＧａＡｓ層が
一般的に使用でき、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ ｓｕｂ．
系ではＧａＩｎＰ層、ＧａＡｓＰ層が使用できる。ま
た、電気絶縁性材料としては、電流を阻止する機能を有
するものであればよく、例えばＳｉＯ₂ ，ＳｉＮ，Ａｌ
₂ Ｏ₃ 等が使用できるが、本発明では基板との格子整合
が可能でブロック層上への他層の成長を容易とできる上
記ｐ型またはｎ型半導体の使用が好ましい。

【００１６】上記電流ブロック層２は、上記材料をＭＯ
ＣＶＤ法，ＭＢＥ法，ＬＰＥ法等を用いた多段階成長に
よって、上部電極７の直下の電流拡散層３とｐ型／ｎ型
半導体層４との境界部に、あるいはｐ型／ｎ型半導体層
４中に形成する。

【００１７】この電流ブロック層２は、上部電極の形状
に応じて任意の形状に形成できるので、上部電極の形状
と同一または相似形とし、その面積が上部電極の１／２
以上、好ましくは０．８〜２、特に好ましくは１．０〜
１．５になるように形成すればよい。例えば、上部電極
がドット状であれば、その直径の少なくとも１／２以上
の直径を有するドット状の電流ブロック層とすればよ
い。また、例えば、上部電極の最大幅の４／５の幅を有
し、一方向へ帯状に形成したものでもよい。上記電流ブ
ロック層の面積が上部電極の１／２未満であれば、電極
直下に流れ易くなり電流ブロック効果が小さくなり好ま
しくない。一方、２倍を越えるようになると、発光する
ｐｎ接合部の面積が小さくなり、発光素子の高輝度化が
達成できないので好ましくない。

【００１８】この電流ブロック層２の厚さは、０．０５
〜１０μｍ、好ましくは０．１〜５μm ，特に好ましく
は０．５〜２μm である。電流ブロック層の厚さが、
０．０５μｍ未満となると、膜厚の制御が困難となり、
また、電流をブロックできなくなり好ましくない。一
方、１０μｍを越えると、電流拡散層が厚くなり発光素
子の光取り出し効率が低下するとともに、コストが高く
つき好ましくない。

【００１９】上記電流ブロック層２および上部電極７
は、電流ブロック層２が上部電極７の直下方向に位置す
るようにそれぞれ形成する。図１では、上部電極７を光
取り出し面の中央部に、電流ブロック層２を上記上部電
極７の直下方向の電流拡散層３とｐ型／ｎ型半導体層４
の境界面に位置するように形成しているが、図２に示す
ように、上部電極７を光取り出し面の端部に形成し、上
記と同様にそれに対応する位置に電流ブロック層２を形
成することができる。このように、電流ブロック層２が
上部電極７の直下方向に位置するように形成されれば、
どの位置でも差し支えない。

【００２０】本発明の発光素子構造、例えば図４（ａ）
に示す構造では、上部電極７を正極に下部電極８を負極
として通電すると、電流は半導体の整流作用によって、
ｎ型半導体２からｐ型半導体４へは流れない。このため
電流は上部電極７の直下部分にあたるｎ型半導体層２を
迂回するように流れる。したがって、電流は上部電極７
の直下部分の周囲を集中して流れるので、発光素子Ｈは
この部分で強発光となる。また、上部電極７の直下方向
のｐｎ接合部では、ほとんど発光しないので、この発光
が上部電極７に吸収されるとしても発光素子全体の発光
量にはほとんど影響ない。この結果、発光素子の発光効
率が向上する。

【００２１】なお、上記例では、電流拡散層３および半
導体層４をｐ型半導体に、電流ブロック層２をｎ型半導
体として形成したが、本発明では、図４（ｂ）に示すよ
うに、このｐ型とｎ型を逆にして、電流を下部電極８ｂ
から上部電極７ｂへ流す構成としても、上記図４（ａ）
と同様の作用、効果が得られる。

【００２２】

【実施例】以下、実施例を示し本発明を具体的に説明す
る。なお、本発明がこれに限定されるものでないことは
言うまでもない。 実施例１ 厚さ３５０μｍのｎ型ＧａＡｓＰ基板上に、厚さ１０μ
ｍのｎ型ＧａＩｎＰ層および厚さ３μｍのｐ型ＧａＩｎ
Ｐ層を順次エピタキシャル成長した後、このｐ型ＧａＩ
ｎＰ層上に、ＬＰＥ法によって厚さ２μｍのｎ型ＧａＩ
ｎＰ層を全面に成長させた。その後、フォトリソグラフ
ィーを用いてドット状のＧａＩｎＰ層を残し、それ以外
をエッチングで除去し電流ブロック層を形成した。さら
にこの電流ブロック層およびｐ型ＧａＩｎＰ層上に厚さ
５μｍのｐ型ＧａＩｎＰ層をエピタキシャル成長させ
た。ついで、成長後のウエハー表面にＡｕＢｅを真空蒸
着した後、パターニング処理を施し、チップ化したとき
の光取り出し面となるチップ表面中央部に直径１５０μ
ｍの円形電極を形成した。一方、ウエハー裏面にＡｕＳ
ｎを真空蒸着した後、ダイシングしてチップ化し、図１
に示す構成の発光素子Ｈを作製した。

【００２３】この発光素子Ｈの上部電極７と下部電極８
間に２０ｍＡの電流を加え、発光素子Ｈを発光させた。
このときの輝度を輝度測定計（フォトメーターモデル５
５０−１ ＥＧ＆Ｇ社製）を用いて測定したところ、表
１に示すような結果が得られた。

【００２４】実施例２〜３ 上記実施例１において、電流ブロック層の直径を変える
以外は全く同様にして発光素子を作製した。電流ブロッ
ク層の直径１２０μｍのものを実施例２、直径１８０μ
ｍのものを実施例３とし、これらの発光素子の輝度を上
記実施例１と同様に測定したところ、表１に示す結果が
得られた。

【００２５】比較例１ 上記実施例１において、ｐ型ＧａＩｎＰ層内に電流ブロ
ック層を形成しない以外は全く同様にして発光素子を作
製した。この発光素子の輝度を上記実施例１と同様に測
定したところ、表１に示す結果が得られた。

【００２６】比較例２〜３ 上記実施例１において、電流ブロック層の面積を表１に
示すように変更した以外は全く同様にして発光素子を作
製した。電流ブロック層の直径２０μｍのものを比較例
２、直径３００μｍのものを比較例３とし、これらの発
光素子の輝度を上記実施例１と同様に測定したところ、
表１に示す結果が得られた。

【００２７】

【表１】

【００２８】上記表１から明らかなように、本発明の発
光素子構造のものは、輝度が５．２mcd と高い値を示
し、従来電流ブロック層を形成しない発光素子構造のも
のよりも、輝度が５７％向上したものであった。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
上部電極とその直下方向のｐｎ接合部間に電流ブロック
層を形成したので、上部電極直下のｐｎ接合部分に電流
が集中することが防止される。また、ブロック層直下方
向のｐｎ接合部周囲に電流が集中して流れるので、発光
素子の強発光を効率的に外部に取り出すことが可能とな
り、発光素子の輝度を向上させることができる。したが
って、従来の発光素子構造のものよりもその輝度を大幅
に向上させることができ、高輝度の発光素子となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による発光素子構造を示す模
式断面図である。

【図２】本発明の他の実施例による発光素子構造を示す
模式断面図である。

【図３】半導体の整流作用を説明する模式図である。

【図４】本発明の発光素子構造における半導体伝導型構
成を示す模式断面図である。

【図５】従来の発光素子構造を示す模式断面図である。

【符号の説明】

１ ｐｎ接合部 ２ 電流ブロック層 ３ ｐ型／ｎ型電流拡散層 ４ ｐ型／ｎ型半導体層 ５ ｎ型／ｐ型半導体層 ６ ｎ型／ｐ型半導体基板 ７ 上部電極 ８ 下部電極 ９ 境界部 Ｈ 発光素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ型半導体層とｐ型半導体層とをｐｎ接
   合し、光取り出し面上に上部電極を、反対側裏面上に下
   部電極を形成する発光素子構造であって、該上部電極直
   下方向のｐｎ接合部と上部電極間に電流ブロック層を形
   成してなる発光素子構造。
2. 【請求項２】 電流ブロック層が、ｎ型またはｐ型半導
   体層あるいは電気絶縁性層である請求項１記載の発光素
   子構造。
3. 【請求項３】 電流ブロック層が、上部電極と同一また
   は相似形に形成されてなり、その面積が上部電極の少な
   くとも１／２を有し、かつ、その厚さが０．０５〜１
   ０．０μｍである請求項１記載の発光素子構造。