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JP2836686B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents
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JP2836686B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子 - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体発光素子

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JP2836686B2 JP9862193A JP9862193A JP2836686B2 JP 2836686 B2 JP2836686 B2 JP 2836686B2 JP 9862193 A JP9862193 A JP 9862193A JP 9862193 A JP9862193 A JP 9862193A JP 2836686 B2 JP2836686 B2 JP 2836686B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はサファイア基板上に一般
式InXAlYGa1-X-YN(0≦X<1、0≦Y<1)で
表される窒化ガリウム系化合物半導体が積層されたチッ
プを、例えばエポキシ樹脂等の封止材料で封止してなる
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】GaN、GaAlN、InGaN、In
AlGaN等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移
を有し、バンドギャップが1.95eV〜6eVまで変
化し、その発光色は紫外から赤色にまで及ぶため、発光
ダイオード、レーザダイオード等、発光素子の材料とし
て有望視されている。その窒化ガリウム系化合物半導体
よりなる発光素子は、一般にMOCVD、MBE法等の
気相成長法を用いてサファイア基板上にn型及びp型、
あるいはn型及びi型に成長して積層し、それぞれの層
から電極を取り出した後、チップ状としてリードフレー
ムに固定し、最後にエポキシ等の樹脂で封止することに
よって得られる。
【0003】しかしながら、その窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子は、前記のようにサファイア基板の上
に、窒化ガリウム系化合物半導体という全く異なる材料
を積層するいわゆるヘテロエピタキシャル構造であるた
め、他のGaAs、GaP等、同一材料の上に積層され
る発光素子に比して、基板とエピタキシャル膜との屈折
率の違いにより外部量子効率が悪くなるいう欠点を有し
ている。具体的にはサファイア基板と窒化ガリウム系化
合物半導体、あるいは窒化ガリウム系化合物半導体と発
光素子を封止する樹脂モールドとの屈折率の違いによ
り、窒化ガリウム系化合物半導体の発光がそれらの界面
で多重反射され、反射光は窒化ガリウム系化合物半導体
内部で吸収されてしまい、発光を効率よく外部に取り出
せないという問題がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】窒化ガリウム系化合物
半導体と基板、封止材料、または大気との多重反射を抑
制し、干渉を少なくすることができれば、外部量子効率
を向上させて、発光効率を向上させることができる。従
って、本発明はこのような事情を鑑み成されたものであ
り、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半
導体内部の光の多重反射により起こる干渉を抑えること
により、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の外部量
子効率を向上させることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】我々は窒化ガリウム系化
合物半導体内部の多重反射を抑制し、外部量子効率を上
げるため数々の実験を行ったところ、封止材料の屈折率
と、窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率との間に屈折
率を有する透明な光学薄膜を、予め窒化ガリウム系化合
物半導体表面に形成することにより上記問題が解決でき
ることを新たに見いだした。即ち、本発明の窒化ガリウ
ム系化合物半導体発光素子は、サファイア基板上に窒化
ガリウム系化合物半導体が積層されて、その窒化ガリウ
ム系化合物半導体層側を発光観測面側とした発光チップ
を封止材料で封止してなる発光素子において、前記窒化
ガリウム系化合物半導体層の上には、その発光チップの
発光波長における屈折率が窒化ガリウム系化合物半導体
の屈折率と、封止材料の屈折率との間にある透明薄膜
が、封止材料で封止される前から形成されていることを
特徴とする。さらに透明薄膜は、透明薄膜の膜厚をt、
窒化ガリウム系化合物半導体の発光波長をλ、λにおけ
る透明薄膜の屈折率をnとすると、t=Aλ/(4n)
(但し、Aは自然数)の関係で形成されていることが望
ましい。
【0006】屈折率は波長によって多少異なるが、窒化
ガリウム系化合物半導体表面に形成する透明薄膜の材料
としては、その屈折率が窒化ガリウム系化合物半導体の
屈折率と封止材料との間にあり、透明な材料であればど
のようなものでもよい。具体的には、発光素子に用いら
れる窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率がおよそ2、
封止材料として一般的に用いられているエポキシ樹脂の
屈折率がおよそ1.5であることから、2と1.5の間
にある材料として、例えばAl23(屈折率1.6
2)、MgO(1.75)、SnO2(1.9)、La
3(1.59)、CeF3(1.63)等を好ましい材
料として挙げることができ、それらの材料を例えば、蒸
着、スパッタリング、プラズマCVD等の装置を用いて
窒化ガリウム系化合物半導体の表面に形成することがで
きる。
【0007】さらに透明薄膜の膜厚は透明薄膜の膜厚を
t、窒化ガリウム系化合物半導体の発光波長をλ、λに
おける透明薄膜の屈折率をnとすると、t=Aλ/(4
n)(但し、Aは自然数)の関係で形成することが好ま
しい。この膜厚で透明薄膜を形成することにより、透明
薄膜は発光波長λの光に対し無反射コートの条件を満た
し、界面で反射すること無く、光を封止樹脂に透過させ
ることができる。A値は特に限定するものではないが、
5以下の自然数を選択する方が膜厚を薄く形成でき、発
光が吸収される量が少なくなるため、さらに好ましい。
【0008】
【作用】図1に、本発明の一実施例に係る窒化ガリウム
系化合物半導体発光素子の構造を示す。1はサファイア
基板、2はn型GaN層、3はZnドープInGaN
層、4はMgドープp型GaN層、5はSnO2よりな
る透明薄膜、6は全体を封止したエポキシ樹脂よりなる
封止材料であり、この構造の発光素子において、発光層
はZnドープInGaN層3にあたる。サファイアの屈
折率がおよそ1.6、窒化ガリウム系化合物半導体の屈
折率がおよそ2、エポキシ樹脂の屈折率がおよそ1.5
である場合、図2に示すように従来の発光素子は、サフ
ァイア基板1、窒化ガリウム系化合物半導体2、3、
4、エポキシ樹脂6、それぞれの材料において屈折率が
異なるため、InGaN層3の発光の一部がp型GaN
層4とエポキシ樹脂との界面で反射され、さらに反射光
はサファイア基板1とn型GaN層2との界面で反射さ
れることにより多重反射となり、次第に窒化ガリウム系
化合物半導体層2、3、4中で吸収されて減衰する。窒
化ガリウム系化合物半導体2、3、4に関してはそれら
の屈折率はほとんど同一と見なしてもよいため、互いの
半導体層界面での多重反射は零(0)と見なしてよい。
一方、本発明のように(図1、図3)Mgドープp型G
aN層の上に、屈折率が窒化ガリウム系化合物半導体と
エポキシ樹脂との間にあるSnO2膜5(屈折率1.
9)を形成した場合、図3に示すように、SnO2膜5
が緩衝層となり、界面での光の反射を少なくすることが
できる。特にそのSnO2膜5の膜厚tをt=λ/(4
n)の厚さに設定することにより、SnO2膜5は無反
射コートとして作用し、反射をほとんど無くすることが
できる。さらに好都合なことには、SnO2のような導
電性を有する透明薄膜を形成すると、オーミックコンタ
クトされた電極と電気的に接続することができ、p型G
aN層4の全面電極として作用させることができる。
【0009】
【実施例】[実施例1]MOCVD法により、サファイ
ア基板上にGaNバッファ層と、Siドープn型GaN
層と、ZnドープInGaN層と、MgドープGaN層
とを順に成長させて積層した窒化ガリウム系化合物半導
体ウエハーを用意する。次に、このウエハーの最上層で
あるp型GaN層にフォトリソグラフィー技術により所
定のパターンを形成して、p型GaN層を一部エッチン
グして、電極を形成させるだけのn型GaN層を露出さ
せた後、p型GaN層、およびn型GaN層にオーミッ
ク電極を付ける。両電極に通電して、この窒化ガリウム
系化合物半導体の発光波長を測定したところ、470n
mにピークを有していた。
【0010】次に、電極の一部にマスクをした後、蒸着
によりp型GaN層の表面にSnO2よりなる透明薄膜
を形成する。なお膜厚は、470nmにおける窒化ガリ
ウム系化合物半導体の屈折率をおよそ2、SnO2の屈
折率を1.9とし、t=470/(4×1.9)より、
約620オングストロームとした。
【0011】次に電極のマスクを剥離し、ウエハーを
0.5mm角のチップに切断する。最後に常法に従いチ
ップをリードフレーム上に載置してワイヤーボンディン
グした後、エポキシ樹脂で封止して本発明の発光素子
(青色発光ダイオード)を得る。この発光ダイオードの
発光スペクトルを図4(a)に示す。一方比較のため、
透明薄膜を形成せず同様にして得た従来の発光ダイオー
ドのスペクトルを同じく図4(b)に示す。
【0012】この図に示すように、従来の発光ダイオー
ドのスペクトルは主発光ピーク以外に、多重反射の干渉
効果による複数のピークが現れている。一方、本発明の
発光ダイオードのスペクトルには多重反射による干渉効
果のピークが現れておらず、また発光強度が従来のもの
に比して10%以上向上したことがわかる。
【0013】[実施例2]サファイア基板上にGaNバ
ッファ層と、Siドープn型GaN層と、MgドープG
aN層とを順に成長させて積層し、その主発光波長を4
30nmとする窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーを
準備する。
【0014】実施例1と同様にしてp型GaN層をエッ
チングした後、そのp型GaN層の表面に同じく蒸着に
て、Al23よりなる透明薄膜を形成する。なお透明薄
膜の厚さはAl23の屈折率が1.6であることから、
t=430/(4×1.6)で670オングストローム
とする。
【0015】後は実施例1と同様にして、青色発光ダイ
オードを作製し、そのスペクトルを測定した。その結果
を図5(c)に示す。また比較のため透明薄膜を形成し
ない青色発光ダイオードを同様にして作製し、そのスペ
クトルを図5(d)に示す。
【0016】この図も図4と同様に透明薄膜を形成しな
い従来の発光ダイオードの発光スペクトルには、多重反
射の干渉による複数のピークが出現している。これに対
し、本発明の発光ダイオードのスペクトルからは、複数
のピークが消え、しかも発光強度が10%以上向上して
いる。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光素子は、窒化ガリウム系化合物
半導体表面に、半導体内部で発生する多重反射の干渉を
抑える作用のある透明薄膜を形成しているため、窒化ガ
リウム系化合物半導体の発光を有効に外部に取り出すこ
とができ、発光素子の外部量子効率が向上する。また、
窒化ガリウム系化合物半導体以外の他の材料よりなる発
光素子はヘテロエピタキシャル構造ではないためそのよ
うな薄膜を設けても効果が少ないが、ヘテロエピタキシ
ャル構造である窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は
透明薄膜の効果が顕著に現れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係る窒化ガリウム系化合
物半導体発光素子の構造の一部を示す模式断面図。
【図2】 従来の発光素子の光路を説明する模式断面
図。
【図3】 本発明の発光素子の光路を説明する模式断面
図。
【図4】 本発明の一実施例に係る発光素子のスペクト
ルと、従来の発光素子のスペクトルとを比較して示す
図。
【図5】 本発明の一実施例に係る発光素子のスペクト
ルと、従来の発光素子のスペクトルとを比較して示す
図。
【符号の説明】
1・・・・サファイア基板 2・・・・n型
GaN層 3・・・・ZnドープInGaN層 4・・・・p型
GaN層 5・・・・透明薄膜 6・・・・封止
樹脂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 33/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サファイア基板上に窒化ガリウム系化合
    物半導体が積層されて、その窒化ガリウム系化合物半導
    体層側を発光観測面側とした発光チップを封止材料で封
    止してなる発光素子において、前記窒化ガリウム系化合
    物半導体層の上には、その発光チップの発光波長におけ
    る屈折率が窒化ガリウム系化合物半導体の屈折率と、封
    止材料の屈折率との間にある透明薄膜が、封止材料で封
    止される前から形成されていることを特徴とする窒化ガ
    リウム系化合物半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 前記透明薄膜は、透明薄膜の膜厚をt、
    窒化ガリウム系化合物半導体の発光波長をλ、λにおけ
    る透明薄膜の屈折率をnとすると、t=Aλ/(4n)
    (但し、Aは自然数)の関係で形成されていることを特
    徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体
    発光素子。
  3. 【請求項3】 前記透明薄膜は導電性を有していること
    を特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半
    導体発光素子。
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