JPH0629571A - 発光素子構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ｐｎ接合部から放射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。 【構成】 ｐ型／ｎ型半導体層３とｎ型／ｐ型半導体層
４とをｐｎ接合し、光取り出し面上に上部電極８を、反
対側裏面に下部電極９を形成する発光素子構造であっ
て、該上部電極８直下方向のｐ型／ｎ型半導体層３とｎ
型／ｐ型半導体層４との境界部に、電気絶縁層２を形成
してなるもの。 【効果】 ｐｎ接合部において最も発光量の多い領域か
ら発生する光を、電極に吸収されることなく外部に取り
出すことができるので、高輝度の発光素子が得られる。

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】赤色〜緑色を放射する一般的なＬＥＤ等
の発光素子の構造は、例えば図６で示すように、ｐ型／
ｎ型半導体層３と基板５上に接合したｎ型／ｐ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３あるいは必要に応じてさらにこのｐ型／
ｎ型半導体層３に電流拡散層（図示せず）を接合させ、
この表面（以下、光取り出し面という）上にドット状，
帯状の電極（以下、上部電極という）８を設け、上記基
板５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）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８の直下方向のｐｎ接合部１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放射されるが、そ
の直上部にある上部電極８によって吸収され、上記強発
光を素子外部へ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、発光素子は輝度が低く、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接合部から放射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】本発明者らは、前記課題
を解消するため種々検討した結果、上部電極直下方向の
ｎ型半導体層とｐ型半導体層との境界部に電気絶縁層を
設けて、この部分にｐｎ接合が形成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、ｐ型／ｎ型
半導体層とｎ型／ｐ型半導体層とを接合させてｐｎ接合
部を形成し、光取り出し面上に上部電極を、反対側裏面
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ｐ型／ｎ型半導体層とｎ型／ｐ型半導体層
との境界部に、電気絶縁層を形成してなるものである。

【０００６】

【作用】上記構成によれば、上部電極の直下方向のｐ型
／ｎ型半導体層とｎ型／ｐ型半導体層との境界部に電気
絶縁層が形成されるので、この部分にはｐｎ接合が形成
されなくなる。したがって、電気絶縁層の周囲に電流が
集中して注入されるようになり、発光素子はこの部分で
強発光となる。この強発光は、電気絶縁層の周囲から光
取り出し面に向かって放射されるようになるので、強発
光が電気絶縁層の直上部にある上部電極によって吸収さ
れることが大幅に減少し、したがって、発光素子は効率
の良い発光が可能になり、発光素子の輝度が向上する。

【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
式斜視図である。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６と相違するところは、上部電極７の直下方
向のｐ型／ｎ型半導体層３とｎ型／ｐ型半導体層４との
境界部に電気絶縁層２を形成し、その他の部分にｐｎ接
合部１を形成している点である。

【０００８】本発明では、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，Ａｌ
ＧａＡｓ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。

【０００９】本発明の発光素子としては、その伝導型や
厚さ等は通常の構成が使用されるが、例えば図２〜図５
に示す構成とすることが好ましい。図２は、ＨＯＭＯ・
ＳＨ構造素子の例を示し、２００〜３５０μｍ厚さの基
板５上に成長させた１０〜２０μｍ厚さのｎ型／ｐ型半
導体層４と、３〜１５μｍ厚さのｐ型／ｎ型半導体層３
とを接合させてｐｎ接合部１を形成し、上部電極７の直
下方向の上記ｎ型／ｐ型半導体層４とｐ型／ｎ型半導体
層３との境界部には、電気絶縁層２を形成した構成であ
る。このような素子の具体例としては、特願平３−１９
８８５０号に記載された半導体材料を使用したＳＨ構造
が好ましい例として挙げられる。

【００１０】図３は、ＤＨ構造素子の例を示し、１０〜
２０μｍ厚さのｎ型／ｐ型半導体層４の上にさらに１〜
３μｍ厚さのｎ型／ｐ型半導体層６を接合し、このｎ型
／ｐ型半導体層６とｐ型／ｎ型半導体層３とを接合させ
てｐｎ接合部１を形成した以外は、上記ＨＯＭＯ・ＳＨ
構造素子と同一の構成である。

【００１１】図４は、電流拡散層を設けた素子の例を示
し、１〜１５μｍ厚さのｐ型／ｎ型半導体層３に電流拡
散層７を接合した以外は、上記ＨＯＭＯ・ＳＨ構造素子
と同一の構成である。

【００１２】上記電流拡散層７は、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７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。

【００１３】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等によって形成される。

【００１４】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。

【００１５】図５は、液相拡散でｐｎ接合を形成した素
子の例を示し、この液相拡散は、例えばｎ型ＧａＡｓＩ
ｎＰ層が成長中に、メルト中（溶融層中）のｐ型不純物
がＧａＡｓＰ層を形成し、ｎ層との界面をｐｎ接合部１
とするものであるが、絶縁層２を設けることによってｐ
ｎ接合部１を部分的に形成させたものである。

【００１６】上部電極８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。

【００１７】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８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。

【００１８】本発明が特徴とする電気絶縁層２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、本
発明では、電気絶縁性材料により電気絶縁層を形成する
ものである。この電気絶縁性材料としては、ＳｉＯ₂ ，
ＳｉＮ，Ａｌ₂ Ｏ₃ などが使用でき、これを熱ＣＶＤ
法，スパッタリング等の方法で蒸着しパターニングする
ことによって、電気絶縁層２を形成する。

【００１９】この電気絶縁層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、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てもよ
いし、また、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になるように形成し
てもよい。上記絶縁層２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。

【００２０】この電気絶縁層２の厚さは、０．０５〜１
０μｍ、好ましくは０．１〜５μm，特に好ましくは
０．５〜２μm である。電気絶縁層の厚さが、０．０５
μｍ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、１０μ
ｍを越えると、電気絶縁層形成後に成長させる半導体層
の形成が困難となるとともに、コストが高くつき好まし
くない。

【００２１】上記電気絶縁層２と上部電極８との位置関
係は、電気絶縁層２が上部電極８の直下方向に位置する
ようにそれぞれ形成する。例えば図１では、上部電極７
を光取り出し面の中央部に、電気絶縁層２を上記上部電
極８の直下方向のｎ型半導体層とｐ型半導体層との境界
部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８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気絶縁層２を形成するこ
ともできる。上記のように、電気絶縁層２は上部電極８
の直下方向のｎ型半導体層とｐ型半導体層との境界部に
位置するように形成され、この境界部にｐｎ接合部が形
成されないようにすれば、どの位置にも形成することが
できる。

【００２２】本発明の発光素子構造、例えば図７（ａ）
の模式断面図で示す構造では、上部電極８を正極に下部
電極９を負極として通電すると、電流（矢印で表示）
は、電気絶縁層２を迂回するように流れる。したがっ
て、電流は電気絶縁層２の周囲を集中して流れるように
なるので、発光素子Ｈはこの部分で強発光となる。ま
た、上部電極８の直下方向のｎ型半導体層とｐ型半導体
層との境界部には、電流が流れないので、従来の発光素
子構造のように、この部分からの強発光が上部電極８に
吸収されることも無くなる。この結果、発光素子Ｈは、
ｐｎ接合部１からの強発光を効率的に光取り出し面に放
射できるようになり、発光素子を高輝度のものとするこ
とができる。

【００２３】なお、上記例では、電流拡散層７および半
導体層３をＰ型半導体に、基板５およびそれに接合する
半導体層４をｎ型半導体として形成したが、本発明で
は、図７（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９から上部電極８へ流す構成として
も、上記と同様の作用、効果が得られる。

【００２４】

【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層をエピタキシャル成長した後、こ
のｎ型ＧａＩｎＰ層表面にＳｉＯ₂ を熱ＣＶＤ法によ
り、厚さ１μｍを有する層状に被着し、フォトリソグラ
フィを用いて幅１３０μｍの帯状電気絶縁層を形成し
た。次に、上記ｎ型ＧａＩｎＰ層上に厚さ３μm のｐ型
ＧａＩｎＰ層をエピタキシャル成長させた。このウエハ
ーのｐ型ＧａＩｎＰ層表面にＡｕＢｅを真空蒸着した
後、パターニング処理を施して上記帯状電気絶縁層直上
部の中央部に直径１２０μｍの円形電極を形成した。一
方上記ウエハー裏面全体にＡｕＳｎを真空蒸着した後、
これをダイシングしてチップ化し、図８に示す構成の発
光素子を作製した。上記作製した発光素子の上部電極８
と下部電極９との間に２０ｍＡの電流を加え、発光素子
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５５０−１ ＥＧ＆Ｇ社製）を用いて測定
したところ、表１に示す結果であった。

【００２５】実施例２ 厚さ３５０μｍのｎ型ＧａＡｓＰ基板上に、厚さ１μｍ
のＳｉＯ₂ を熱ＣＶＤ法により層状に被着し、フォトリ
ソグラフィを用いて幅１３０μｍの帯状電気絶縁層を形
成した。次に、このパターニングされたＳｉＯ₂ 膜を有
する基板上に、ＬＰＥ法によりｐ⁺ ＧａＩｎＰ層を成長
させた。このとき、ＳｉＯ₂ 膜で保護されていない部分
のｎ型ＧａＡｓＰ層には、液相拡散によりｐ型不純物が
拡散により侵入して、ｎ型ＧａＡｓＰ層内にｐｎ接合が
形成された。このウエハー表面にＡｕＢｅを真空蒸着
し、フォトリソグラフィによって上記帯状電気絶縁層直
上部の中央部に直径１２０μｍの円形電極を形成した。
一方上記ウエハー裏面全体にＡｕＳｎを真空蒸着した
後、これをダイシングしてチップ化し、図９に示す構成
の発光素子を作製した。上記作製した発光素子の上部電
極８と下部電極９との間に２０ｍＡの電流を加え、発光
素子を発光させた。このときの輝度を実施例１と同様に
測定したところ、表１に示す結果であった。

【００２６】比較例１ 上記実施例１において、ｎ型ＧａＩｎＰ層表面に電気絶
縁層を形成しない以外は全て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に示す結果であった。

【００２７】比較例２〜３ 上記実施例１において、帯状電気絶縁層の幅を表１に示
す数値に変える以外は、全て同様にして発光素子を作製
した。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に示す結果であった。

【００２８】

【表１】

【００２９】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５．０mcd 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、輝度が約５２％向上したものであった。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の発光素子
構造によれば、上部電極の直下方向のｐ型／ｎ型半導体
層とｎ型／ｐ型半導体層との境界部に電気絶縁層が形成
されるので、発光素子はこの部分で強発光となり、電気
絶縁層の周囲から光取り出し面に向かって放射されるよ
うになり、強発光が電気絶縁層の直上部にある上部電極
によって吸収されることが大幅に減少する。したがっ
て、発光素子は効率の良い発光が可能になり、発光素子
の輝度が向上して、市場の要求を十分に満足しうる高輝
度に発光する発光素子がえられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発光素子の基本構造を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の実施態様例を示す発光素子の構造を示
す斜視図である。

【図３】本発明の実施態様例を示す発光素子の構造を示
す斜視図である。

【図４】本発明の実施態様例を示す発光素子の構造を示
す斜視図である。

【図５】本発明の実施態様例を示す発光素子の構造を示
す斜視図である。

【図６】従来の発光素子の構造を示す斜視図である。

【図７】本発明の一実施例に係る発光素子の構造を示す
模式断面図である。

【図８】本発明の他の実施例に係る発光素子の構造を示
す模式断面図である。

【図９】本発明のその他の実施例に係る発光素子の構造
を示す模式断面図である。

【符号の説明】

１ ｐｎ接合 ２ 電気絶縁層 ３ ｐ型／ｎ型半導体層 ４ ｎ型／ｐ型半導体層 ５ ｎ型／ｐ型半導体基板 ８ 上部電極 Ｈ 発光素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型／ｎ型半導体層とｎ型／ｐ型半導体
   層とを接合させてｐｎ接合部を形成し、光取り出し面上
   に上部電極を、反対側裏面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ｐ型／ｎ型半導
   体層とｎ型／ｐ型半導体層との境界部に、電気絶縁層を
   形成してなる発光素子構造。