発光装置および光生成方法
【課題】ＧａＮ基板を電流経路として有効利用した発光ダイオード素子を用いて、高信頼性化および発光効率の向上を図った発光装置を提供する。
【解決手段】この発光装置は、下記（Ａ）の発光ダイオード素子と、該発光ダイオード素子に印加される電流が最大電流Ｉｍａｘを超えないように制御する制御回路と、を備え、（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、ことを特徴とする。（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【解決手段】この発光装置は、下記（Ａ）の発光ダイオード素子と、該発光ダイオード素子に印加される電流が最大電流Ｉｍａｘを超えないように制御する制御回路と、を備え、（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、ことを特徴とする。（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系半導体基板上にＧａＮ系半導体からなる積層構造（発光構造）を設けてなる発光ダイオード素子を用いた発光装置に関し、特には、ＧａＮ系半導体基板を電流経路として有効利用した発光ダイオード素子を用いて、高信頼性化および発光効率の向上を図った発光装置に関する。本発明は、また、ＧａＮ系半導体基板上にＧａＮ系半導体からなる積層構造（発光構造）を設けてなる発光ダイオード素子を用いた、光の生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体とは、化学式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。ｐｎ接合構造、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造などの発光素子構造をＧａＮ系半導体で構成した発光ダイオード素子（以下、「ＬＥＤ素子」または単に「素子」ともいう）は、緑色〜近紫外の光を発生することが可能であり、信号機やディスプレイ装置等の用途で実用化されている。また、このような発光ダイオード素子を蛍光体と組合せることにより構成された白色ＬＥＤが、液晶ディスプレイのバックライトや、照明用の光源として使用されている。最近では、このような発光ダイオード素子の中でも、近紫外光を発生させるものが、ＵＶ硬化樹脂やＵＶインキの硬化用光源として使用され始めている。
【０００３】
従来、発光ダイオード素子の基板材料として、サファイア基板に代えてＧａＮやＡｌＮなどのＧａＮ系半導体基板を用いる試みが広くなされている（例えば特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１５０２２０号公報
【特許文献２】特開２０００−１７４３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＧａＮ系半導体基板を用いたＬＥＤ素子は、サファイア基板を用いたものと比べると半導体中の転位欠陥の密度が低いので、電流の印加による半導体の劣化が生じ難いこと、また、ＧａＮ系半導体基板の熱伝導率がサファイア基板よりも良好であることから、高い電流密度で駆動するのに有利と考えられる。しかしながら、特許文献１、２のいずれにおいても、基板材料としてＧａＮ基板を用いることは記載されているものの、例えば３００〜４００μｍ角の素子に１００ｍＡ以上といった大電流を流すことは想定されていない。特許文献２では、素子に印加される電流は２０ｍＡである。
【０００６】
他方で、ＬＥＤ素子からの光取出しを考えた場合、ＧａＮ系半導体基板の表面などに形成されるメタル電極は光吸収体として作用するので、こうした電極のサイズを小さくすることが、光の吸収を抑える点で有利である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、メタル電極のサイズを小さくすると同時に、ＧａＮ系半導体基板を電流経路として有効利用した発光ダイオード素子を用いて、高信頼性化および発光効率の向上を図った発光装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかる発光ダイオード素子を用いて、高い効率で光を発生させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の要旨は以下に存する。
１．下記（Ａ）の発光ダイオード素子と、該発光ダイオード素子に印加される電流が最大電流Ｉｍａｘを超えないように制御する制御回路と、を備え、
（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ
（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、
ことを特徴とする発光装置。
（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【０００９】
２．前記ＧａＮ系半導体基板がｍ面ＧａＮ基板である、上記１に記載の発光装置。
【００１０】
３．前記ＧａＮ系半導体基板のキャリア濃度が２．５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内である、上記１または２に記載の発光装置。
【００１１】
４．下記（Ａ）の発光ダイオード素子に電流を印加して発光させることを含む、光の生成方法であって、該発光ダイオード素子に印加する最大電流をＩｍａｘとしたとき、
（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ
（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、
ことを特徴とする方法。
（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【００１２】
５．前記ＧａＮ系半導体基板がｍ面ＧａＮ基板である、上記４に記載の方法。
【００１３】
６．前記ＧａＮ系半導体基板のキャリア濃度が２．５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内である、上記４または５に記載の方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＧａＮ系半導体からなる発光構造をＧａＮ系半導体基板上に備える発光ダイオード素子を含む、信頼性および発光効率が改善された発光装置が提供される。
【００１５】
また、本発明によれば、ＧａＮ系半導体からなる発光構造をＧａＮ系半導体基板上に備える発光ダイオード素子を用いて、高い効率で光を発生させる方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１形態の発光ダイオード素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】第２形態の発光ダイオード素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】第３形態の発光ダイオード素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】発光ダイオード素子の具体的な構成例を示す図である。
【図５】発光ダイオード素子の模式的なＩ−Ｖ曲線である。
【図６】ｎ側メタル電極形状の一例を示す平面図である。
【図７】実験例における発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について幾つかの実施形態を例示して説明する。
１．ＬＥＤ素子
本発明の発光装置に使用することのできるＬＥＤ素子の形態は様々であるが、以下では、いくつかの形態のＬＥＤ素子の構成について最初に説明し、続いて全形態に共通する特徴部について説明する。図２〜図４においては、図１と同様の構造部に同一または対応する符号を付し、重複する説明は省略するものとする。また、各図に表された層構造はあくまで一例であって、本発明においては、単一の層として描かれているものが複数の半導体層で構成されていてもよいし、あるいは、複数の層として描かれているものが単一の半導体層で構成されていてもよい。
【００１８】
（第１形態）
図１のＬＥＤ素子は、ｎ型導電性のＧａＮ基板１０と、その基板の主面（図示上面）１０ａ上に形成された積層構造２０とを備えている。積層構造２０は、この例では、基板１０側から順に、ｎ型クラッド層２３、活性層２５、およびｐ型クラッド層２７を有している。
【００１９】
図１の素子は、また、ＧａＮ基板１０の裏面に形成されたｎ側電極Ｅ１と、積層構造２０上に形成されたｐ側電極Ｅ２とを有している。ｎ側電極Ｅ１は、図示するようにＧａＮ基板１０の裏面の一部のみに形成されている。
【００２０】
（第２形態）
図２のＬＥＤ素子は、上記同様、ｎ側導電性のＧａＮ基板１１０と、その基板上に形成された積層構造１２０とを備えている。
【００２１】
積層構造１２０は、一例として、基板１１０側から順に、ｎ型クラッド層１２３、活性層１２５、第１のｐ型クラッド層１２７Ａ、第２のｐ型クラッド層１２７Ｂ、およびｐ型コンタクト層１２９を有している。
【００２２】
図２の素子では、積層構造１２０の一部をエッチングにより除去することでＧａＮ基板１１０の露出した部分１１０ｓに、ｎ側電極Ｅ１が直接形成されている。図１の素子と違って、基板厚み方向に投影して見た場合にｎ側電極と活性層とが重なっていないので、ｎ側電極から基板に注入される電流は、その全てが基板の内部を横方向（厚さ方向に直交する方向）に拡散して活性層に達することになる。ゆえに、ＧａＮ基板の導電性を高くすることが、素子に大電流を流したときの順方向電圧を低くするうえで特に重要となる。
【００２３】
（第３形態）
図３のＬＥＤ素子は、基本的には図２の素子の電極配置と類似しているが、ｎ側電極Ｅ１が基板に直接設けられていない点で相違している。すなわち、図３の素子は、エピタキシャル層としてｎ型クラッド層兼コンタクト層２３′を有しており、ｎ側電極Ｅ１はこの層２３′上の一部に形成されている。
【００２４】
このようにコンタクト層２３′を介してｎ側電極Ｅ１が設けられるＬＥＤ素子としては、さらに、図４に示すような素子であってもよい。図４のＬＥＤ素子は、ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板２１０と、その基板上に形成された積層構造２２０とを備えている。積層構造２２０は、一例として、基板２１０側から順に、第１のアンドープＧａＮ層２２１、ｎ型ＧａＮコンタクト層２２２、第２のアンドープＧａＮ層２２３、ｎ型クラッド層２２４、活性層２２５、ｐ型クラッド層２２６、および、ｐ型コンタクト層２２７を有している。
【００２５】
積層構造２２０上には、オーミック性の透光性導電補助層Ｅ２ｂと、その層上に形成されたｐ側メタル電極Ｅ２ａとが設けられている。ｎ側電極Ｅ１は、積層構造２２０の一部をエッチングにより除去することでコンタクト層２２２が露出した部分２２２ｓに形成されている。
【００２６】
（共通構造）
各形態に共通して、ｎ側電極Ｅ１は、その面積ＡＥが活性層の面積ＡＡの２０％以下、好ましくは１５％以下、より好ましくは１０％以下となるように形成されている。なお、面積ＡＥ、ＡＡはそれぞれ基板厚み方向に投影して見た場合の電極および活性層の面積のことを意味する。ｎ側電極Ｅ１の面積ＡＥは小さくし過ぎると接触抵抗が増加する場合があるので、通常は活性層の面積ＡＡの３％以上、好ましくは５％以上とする。
【００２７】
なお、図４の素子においては「活性層の面積ＡＡ」は素子のメサ部２３５における面積であり、具体的には、全体としては略矩形であって一部に略半円状の凹部が形成された平面形状の面積ということになる。
【００２８】
ＧａＮ基板にはケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、酸素（Ｏ）のようなｎ型不純物がドープされ、そのキャリア濃度（≒不純物濃度）が２．５×１０１７ｃｍ−３以上、好ましくは５×１０１７ｃｍ−３以上とされる。キャリア濃度が２．５×１０１７ｃｍ−３より低い場合、抵抗が高く、電流経路としての機能が不十分となる。電流経路として機能させることだけを考えれば、ＧａＮ基板のキャリア濃度に特に上限はないが、エピタキシャル成長の下地としての機能を考慮すると、キャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下、更には１×１０１８ｃｍ−３以下に抑えることが望ましい。不純物の過剰な添加は結晶性を低下させるからである。結晶性を低下させないことは、基板の熱伝導率を低下させないためにも重要である。
【００２９】
図３、図４のタイプの素子においては、ＧａＮ基板に電流経路としての機能を負担させることによって、ｎ側電極Ｅ１が設けられるコンタクト層２３′、２２２のコンタクト層を１μｍ未満に薄くすることができる。このことは、該層の形成に要する時間の短縮を通して、素子の製造コストの低下に寄与し得る。コンタクト層２３′、２２２は、ｎ側電極Ｅ１の接触抵抗を低くするために、ＧａＮ基板よりもキャリア濃度が高く設定される。
【００３０】
活性層は、特に限定されるものではなく、従来から公知の構造を採用することができる。代表的なものとして、量子井戸層と障壁層とが繰り返し積層されたＭＱＷ（多重量子井戸）構造を挙げることができる。
【００３１】
ｎ型クラッド層としては、ｎ型不純物をドープしたＧａＮ系半導体を用いることができる。あるいは、ＧａＮ系半導体はアンドープの状態でもｎ型の導電性を示すので、ｎ型クラッド層はアンドープのＧａＮ系半導体で形成してもよい。
【００３２】
ｐ型クラッド層には、ｐ型不純物をドープしたＧａＮ系半導体を用いることができる。
【００３３】
ｎ側電極Ｅ１およびｐ側電極Ｅ２も、従来から公知の材料で形成することが可能であり、コンタクト抵抗が小さくなるような金属材料が選ばれる。ｎ側電極Ｅ１には、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）などを、ｐ側電極Ｅ２については、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）などを、好ましく用いることができる。
【００３４】
図４の素子においてｐ型コンタクト層上に設けられたオーミック性の透光性導電補助層は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）のような透明導電性酸化物を用いて形成することができる。
【００３５】
上記のように構成されたＬＥＤ素子は、ｎ側電極が小面積とされるにも拘わらず、ＧａＮ系半導体基板が電流経路として有効活用されることから、大電流を注入したときの動作電圧を低減させることができる。動作電圧が低い場合、素子の発熱が小さくなるので、結果として、素子を構成する部材の劣化が進み難くなり、信頼性や寿命の向上を図ることができる。また、発熱が小さいことから、素子の温度上昇に伴う内部量子効率の低下も抑えることができる。
【００３６】
ＬＥＤ素子の発熱の低減は、当該素子だけでなく、素子が実装された発光装置において素子周辺に配置される部材、例えば、封止樹脂であるとか、素子の固定に用いられる接着材料の劣化抑制にも大きく寄与する。また、ＬＥＤ素子が白色ＬＥＤの励起用光源として使用される場合には、使用される蛍光物質の劣化が抑制される他、明るさを調節したときの色度変化も抑えられる。これは、蛍光物質の発光特性には温度依存性があるところ、ＬＥＤ素子の発熱が小さければ、ＬＥＤ素子に印加する電流を変化させたときの蛍光体の温度変化が抑えられるからである。
【００３７】
また、メタル電極は一般に光吸収体として作用するものであるところ、上記のＬＥＤ素子においてはｎ側電極が小さく形成されているので、電極による光の吸収が抑えられ、素子の発光効率を向上させることができる。
【００３８】
（その他の構造）
ｎ側電極は、例えば図６に示すような接続部Ｅ１０５ａ（ボンディングワイヤなどを接続するためのボンディングパッド部）と、電流を拡散させるための延長部Ｅ１０５ｂとを有するものであってもよい。この延長部Ｅ１０５ｂとしては、図示のような線状のものの他にも、ネット状または樹枝状（不図示）であってもよい。用語「電極の面積ＡＥ」には、このような延長部Ｅ１０５ｂの電極面積も含まれる。このような延長部を有するｎ側電極は、通常、ＬＥＤ素子の面積が大きい場合（例えば、５００μｍ角以上）に採用されるが、ＧａＮ系半導体基板を電流経路として有効に活用することにより、かかる延長部の面積を減らすことができる。
【００３９】
（発光装置）
上記の各形態のＬＥＤ素子は、セラミックパッケージ、樹脂パッケージ、スラグ、リードフレーム、ユニット基板などに実装された形で、本発明の発光装置に組み込まれる。また、本発明の発光装置は、ＳＭＤ型ＬＥＤパッケージ（チップ型ＬＥＤと呼ばれることがある）、砲弾型ランプ、パワーＬＥＤ、チップオンボード（ＣＯＢ）型ユニットなどを備え、その内部に上記の各形態のＬＥＤ素子を含むものであり得る。更に、本発明の発光装置は、ＬＥＤ素子が放出する光の一部を吸収して、異なる波長の光に変換する蛍光物質を備えてもよい。従って、本発明の発光装置は白色ＬＥＤを含むものであり得る。
【００４０】
本発明の発光装置は、ＬＥＤ素子に印加される電流を制御するための制御回路を備える。この制御回路は、発光装置の使用時にＬＥＤ素子に印加される電流が、所定の最大電流値を越えないようにすることができるものであればよい。この制御回路の具体的な構成は特に限定されないが、一例として、公知の電流制限回路が挙げられる。
【００４１】
本発明の発光装置は、使用時にＬＥＤ素子に印加される最大電流値をＩｍａｘとしたときに、Ｉｍａｘが下記条件（ｉ）および（ｉｉ）を満たすことをひとつの特徴としている。
【００４２】
Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ（アンペア）／ｃｍ２〕・・・（ｉ）
素子のＩ−Ｖ曲線において、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない。・・・（ｉｉ）
【００４３】
条件（ｉ）は、活性層の面積ＡＡが６８４００μｍ２（６．８４×１０−４ｃｍ２）のＬＥＤ素子の場合であれば、使用時に当該ＬＥＤ素子に印加される最大電流値Ｉｍａｘが０．１５Ａ（１５０ｍＡ）以上であることを示している。
【００４４】
条件（ｉｉ）については、図５を参照して説明する。図５は、ＬＥＤ素子の模式的なＩ−Ｖ曲線である（横軸が電流Ｉｆ、縦軸が電圧Ｖｆ）。図示するように、ＬＥＤ素子のＩ−Ｖ曲線は、順方向電流値がＩａとなるまでは上に凸のカーブであるが、Ｉａを超えると傾きが急増し、下に凸のカーブとなる。換言すれば、曲線の傾きの変化率がＩａを境に減少から増加に転じる。この変曲点における順方向電流値Ｉａのことを、以下「変曲点電流値」ともいう。
【００４５】
条件（ｉｉ）は、「最大電流値Ｉｍａｘ」を、この変曲点電流値Ｉａより低い値に設定することを意味している。図５に示すように、変曲点電流値Ｉａを越える電流をＬＥＤ素子に印加すると、順方向電流の増加とともに順方向電圧が急激に増加することとなる（Ｉ−Ｖ曲線の傾きが急になる）ので、熱として失われる電流が増加する。
【００４６】
本発明の発光装置においては、最大電流Ｉｍａｘを上記のような変曲点電流値Ｉａより低く設定するが、そのＩｍａｘが上記（ｉ）を満たし得るように、ＬＥＤ素子が構成されていることが重要である。このような素子特性については、特開平１０−１５０２２０号公報および特開２０００−１７４３３８号公報のいずれにおいても何ら記載されていない。
【００４７】
３．実験例
以下、図４に例示したＧａＮ系ＬＥＤ素子の試作および評価の結果を以下に記す。ＬＥＤ素子の平面形状は３５０μｍ×３４０μｍの矩形とした。
【００４８】
３−１．エピタキシャル成長
基板として、ｎ型不純物としてＳｉが添加されたｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板を用意した。その基板上に、常圧ＭＯＶＰＥ法を用いて複数のＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させて半導体層を形成した。ＩＩＩ族原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｖ族原料にはアンモニア、Ｓｉ原料にはシラン、Ｍｇ原料にはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ）を用いた。
【００４９】
各層の成長温度および膜厚を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＧａＮクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に添加した不純物の濃度は表２に示す通りである。
【００５２】
【表２】
【００５３】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に添加したＭｇの活性化は、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を所定時間成長させた後、ＭＯＶＰＥ装置の成長炉内で基板温度が室温まで降下する間に、該成長炉内に流す窒素ガスおよびアンモニアガスの流量を制御する方法を用いて行った。
【００５４】
３−２．ｐ側電極およびｎ側電極の形成等
上記エピタキシャル成長により形成した半導体積層体の表面（ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の表面）に、電子ビーム蒸着法によりＩＴＯ膜を２１０ｎｍの厚さに形成した。続いて、フォトリソグラフィとエッチングの技法を用いて、このＩＴＯ膜を所定の形状にパターニングして、透光性導電補助層を形成した。
【００５５】
このＩＴＯ膜を熱処理した後、リフトオフ法を用いて、ｎ側電極とｐ側電極を同時に所定のパターンに形成した。これらの電極は、ＴｉＷ層の上にＡｕ層を積層した積層構造とした。ｎ側電極とｐ側電極を形成した後、露出した半導体積層体の表面および透光性電極の表面に、ＳｉＯ２からなるパッシベーション膜を２１３ｎｍの厚さに形成した。
【００５６】
最後にスクライブおよびブレーキングを行うことによりウェハを分断し、ＬＥＤ素子をチップにした。
【００５７】
３−３．順方向電圧の評価
上記手順にて得た、ｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度の異なる３種類のＬＥＤチップ（サンプル１〜３）のそれぞれに対して、ｎ側電極とｐ側電極を通して電流をパルスモード（周期＝１ＰＬＣ）で印加し、順方向電流（Ｉｆ）と順方向電圧（Ｖｆ）との関係を調べた。電流値は０〜３５０ｍＡの範囲で変化させ、熱の影響を避けるために電流印加直後に電圧測定を行った。
【００５８】
図７は、サンプル１〜３のＩ−Ｖ曲線である（横軸がＩｆ、縦軸がＶｆのＩ−Ｖ曲線）。ｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度は、小さい方から順にいうとサンプル１、サンプル２、サンプル３の順であり、キャリア濃度が高くなるにつれてＶｆは低くなった。また、サンプル間のＶｆの差は順方向電流が大きくなるにつれて大きくなる傾向が見られた。
【００５９】
上記定義した変曲点電流値（Ｉ−Ｖ曲線が上に凸のカーブから下に凸のカーブに変わる点における電流値）は、表３に示すように、ｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度が高くなるにつれて高くなる傾向が見られた。
【００６０】
【表３】
【００６１】
サンプル１〜３では、ｎ側電極（オーミック電極を兼用するメタルパッド）の面積（７２３０μｍ２）が活性層（６８４００μｍ２）の面積の１０．６％であり、ｎ側電極が活性層に比べ小面積であるので、ｐｎ接合のｎ側を流れる電流の経路としてのＧａＮ基板の寄与の違いが、このようなＩ−Ｖ曲線の違いになったと考えられる。
【符号の説明】
【００６２】
１０、１１０、２１０ ＧａＮ基板
２０、１２０、２２０ 積層構造
Ｅ１ ｎ側電極
Ｅ２、Ｅ２ａ ｐ側電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系半導体基板上にＧａＮ系半導体からなる積層構造（発光構造）を設けてなる発光ダイオード素子を用いた発光装置に関し、特には、ＧａＮ系半導体基板を電流経路として有効利用した発光ダイオード素子を用いて、高信頼性化および発光効率の向上を図った発光装置に関する。本発明は、また、ＧａＮ系半導体基板上にＧａＮ系半導体からなる積層構造（発光構造）を設けてなる発光ダイオード素子を用いた、光の生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体とは、化学式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される化合物半導体であり、３族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。ｐｎ接合構造、ダブルヘテロ構造、量子井戸構造などの発光素子構造をＧａＮ系半導体で構成した発光ダイオード素子（以下、「ＬＥＤ素子」または単に「素子」ともいう）は、緑色〜近紫外の光を発生することが可能であり、信号機やディスプレイ装置等の用途で実用化されている。また、このような発光ダイオード素子を蛍光体と組合せることにより構成された白色ＬＥＤが、液晶ディスプレイのバックライトや、照明用の光源として使用されている。最近では、このような発光ダイオード素子の中でも、近紫外光を発生させるものが、ＵＶ硬化樹脂やＵＶインキの硬化用光源として使用され始めている。
【０００３】
従来、発光ダイオード素子の基板材料として、サファイア基板に代えてＧａＮやＡｌＮなどのＧａＮ系半導体基板を用いる試みが広くなされている（例えば特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１５０２２０号公報
【特許文献２】特開２０００−１７４３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＧａＮ系半導体基板を用いたＬＥＤ素子は、サファイア基板を用いたものと比べると半導体中の転位欠陥の密度が低いので、電流の印加による半導体の劣化が生じ難いこと、また、ＧａＮ系半導体基板の熱伝導率がサファイア基板よりも良好であることから、高い電流密度で駆動するのに有利と考えられる。しかしながら、特許文献１、２のいずれにおいても、基板材料としてＧａＮ基板を用いることは記載されているものの、例えば３００〜４００μｍ角の素子に１００ｍＡ以上といった大電流を流すことは想定されていない。特許文献２では、素子に印加される電流は２０ｍＡである。
【０００６】
他方で、ＬＥＤ素子からの光取出しを考えた場合、ＧａＮ系半導体基板の表面などに形成されるメタル電極は光吸収体として作用するので、こうした電極のサイズを小さくすることが、光の吸収を抑える点で有利である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、メタル電極のサイズを小さくすると同時に、ＧａＮ系半導体基板を電流経路として有効利用した発光ダイオード素子を用いて、高信頼性化および発光効率の向上を図った発光装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかる発光ダイオード素子を用いて、高い効率で光を発生させる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の要旨は以下に存する。
１．下記（Ａ）の発光ダイオード素子と、該発光ダイオード素子に印加される電流が最大電流Ｉｍａｘを超えないように制御する制御回路と、を備え、
（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ
（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、
ことを特徴とする発光装置。
（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【０００９】
２．前記ＧａＮ系半導体基板がｍ面ＧａＮ基板である、上記１に記載の発光装置。
【００１０】
３．前記ＧａＮ系半導体基板のキャリア濃度が２．５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内である、上記１または２に記載の発光装置。
【００１１】
４．下記（Ａ）の発光ダイオード素子に電流を印加して発光させることを含む、光の生成方法であって、該発光ダイオード素子に印加する最大電流をＩｍａｘとしたとき、
（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ
（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、
ことを特徴とする方法。
（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【００１２】
５．前記ＧａＮ系半導体基板がｍ面ＧａＮ基板である、上記４に記載の方法。
【００１３】
６．前記ＧａＮ系半導体基板のキャリア濃度が２．５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内である、上記４または５に記載の方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＧａＮ系半導体からなる発光構造をＧａＮ系半導体基板上に備える発光ダイオード素子を含む、信頼性および発光効率が改善された発光装置が提供される。
【００１５】
また、本発明によれば、ＧａＮ系半導体からなる発光構造をＧａＮ系半導体基板上に備える発光ダイオード素子を用いて、高い効率で光を発生させる方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１形態の発光ダイオード素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】第２形態の発光ダイオード素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】第３形態の発光ダイオード素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】発光ダイオード素子の具体的な構成例を示す図である。
【図５】発光ダイオード素子の模式的なＩ−Ｖ曲線である。
【図６】ｎ側メタル電極形状の一例を示す平面図である。
【図７】実験例における発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について幾つかの実施形態を例示して説明する。
１．ＬＥＤ素子
本発明の発光装置に使用することのできるＬＥＤ素子の形態は様々であるが、以下では、いくつかの形態のＬＥＤ素子の構成について最初に説明し、続いて全形態に共通する特徴部について説明する。図２〜図４においては、図１と同様の構造部に同一または対応する符号を付し、重複する説明は省略するものとする。また、各図に表された層構造はあくまで一例であって、本発明においては、単一の層として描かれているものが複数の半導体層で構成されていてもよいし、あるいは、複数の層として描かれているものが単一の半導体層で構成されていてもよい。
【００１８】
（第１形態）
図１のＬＥＤ素子は、ｎ型導電性のＧａＮ基板１０と、その基板の主面（図示上面）１０ａ上に形成された積層構造２０とを備えている。積層構造２０は、この例では、基板１０側から順に、ｎ型クラッド層２３、活性層２５、およびｐ型クラッド層２７を有している。
【００１９】
図１の素子は、また、ＧａＮ基板１０の裏面に形成されたｎ側電極Ｅ１と、積層構造２０上に形成されたｐ側電極Ｅ２とを有している。ｎ側電極Ｅ１は、図示するようにＧａＮ基板１０の裏面の一部のみに形成されている。
【００２０】
（第２形態）
図２のＬＥＤ素子は、上記同様、ｎ側導電性のＧａＮ基板１１０と、その基板上に形成された積層構造１２０とを備えている。
【００２１】
積層構造１２０は、一例として、基板１１０側から順に、ｎ型クラッド層１２３、活性層１２５、第１のｐ型クラッド層１２７Ａ、第２のｐ型クラッド層１２７Ｂ、およびｐ型コンタクト層１２９を有している。
【００２２】
図２の素子では、積層構造１２０の一部をエッチングにより除去することでＧａＮ基板１１０の露出した部分１１０ｓに、ｎ側電極Ｅ１が直接形成されている。図１の素子と違って、基板厚み方向に投影して見た場合にｎ側電極と活性層とが重なっていないので、ｎ側電極から基板に注入される電流は、その全てが基板の内部を横方向（厚さ方向に直交する方向）に拡散して活性層に達することになる。ゆえに、ＧａＮ基板の導電性を高くすることが、素子に大電流を流したときの順方向電圧を低くするうえで特に重要となる。
【００２３】
（第３形態）
図３のＬＥＤ素子は、基本的には図２の素子の電極配置と類似しているが、ｎ側電極Ｅ１が基板に直接設けられていない点で相違している。すなわち、図３の素子は、エピタキシャル層としてｎ型クラッド層兼コンタクト層２３′を有しており、ｎ側電極Ｅ１はこの層２３′上の一部に形成されている。
【００２４】
このようにコンタクト層２３′を介してｎ側電極Ｅ１が設けられるＬＥＤ素子としては、さらに、図４に示すような素子であってもよい。図４のＬＥＤ素子は、ｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板２１０と、その基板上に形成された積層構造２２０とを備えている。積層構造２２０は、一例として、基板２１０側から順に、第１のアンドープＧａＮ層２２１、ｎ型ＧａＮコンタクト層２２２、第２のアンドープＧａＮ層２２３、ｎ型クラッド層２２４、活性層２２５、ｐ型クラッド層２２６、および、ｐ型コンタクト層２２７を有している。
【００２５】
積層構造２２０上には、オーミック性の透光性導電補助層Ｅ２ｂと、その層上に形成されたｐ側メタル電極Ｅ２ａとが設けられている。ｎ側電極Ｅ１は、積層構造２２０の一部をエッチングにより除去することでコンタクト層２２２が露出した部分２２２ｓに形成されている。
【００２６】
（共通構造）
各形態に共通して、ｎ側電極Ｅ１は、その面積ＡＥが活性層の面積ＡＡの２０％以下、好ましくは１５％以下、より好ましくは１０％以下となるように形成されている。なお、面積ＡＥ、ＡＡはそれぞれ基板厚み方向に投影して見た場合の電極および活性層の面積のことを意味する。ｎ側電極Ｅ１の面積ＡＥは小さくし過ぎると接触抵抗が増加する場合があるので、通常は活性層の面積ＡＡの３％以上、好ましくは５％以上とする。
【００２７】
なお、図４の素子においては「活性層の面積ＡＡ」は素子のメサ部２３５における面積であり、具体的には、全体としては略矩形であって一部に略半円状の凹部が形成された平面形状の面積ということになる。
【００２８】
ＧａＮ基板にはケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、酸素（Ｏ）のようなｎ型不純物がドープされ、そのキャリア濃度（≒不純物濃度）が２．５×１０１７ｃｍ−３以上、好ましくは５×１０１７ｃｍ−３以上とされる。キャリア濃度が２．５×１０１７ｃｍ−３より低い場合、抵抗が高く、電流経路としての機能が不十分となる。電流経路として機能させることだけを考えれば、ＧａＮ基板のキャリア濃度に特に上限はないが、エピタキシャル成長の下地としての機能を考慮すると、キャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３以下、更には１×１０１８ｃｍ−３以下に抑えることが望ましい。不純物の過剰な添加は結晶性を低下させるからである。結晶性を低下させないことは、基板の熱伝導率を低下させないためにも重要である。
【００２９】
図３、図４のタイプの素子においては、ＧａＮ基板に電流経路としての機能を負担させることによって、ｎ側電極Ｅ１が設けられるコンタクト層２３′、２２２のコンタクト層を１μｍ未満に薄くすることができる。このことは、該層の形成に要する時間の短縮を通して、素子の製造コストの低下に寄与し得る。コンタクト層２３′、２２２は、ｎ側電極Ｅ１の接触抵抗を低くするために、ＧａＮ基板よりもキャリア濃度が高く設定される。
【００３０】
活性層は、特に限定されるものではなく、従来から公知の構造を採用することができる。代表的なものとして、量子井戸層と障壁層とが繰り返し積層されたＭＱＷ（多重量子井戸）構造を挙げることができる。
【００３１】
ｎ型クラッド層としては、ｎ型不純物をドープしたＧａＮ系半導体を用いることができる。あるいは、ＧａＮ系半導体はアンドープの状態でもｎ型の導電性を示すので、ｎ型クラッド層はアンドープのＧａＮ系半導体で形成してもよい。
【００３２】
ｐ型クラッド層には、ｐ型不純物をドープしたＧａＮ系半導体を用いることができる。
【００３３】
ｎ側電極Ｅ１およびｐ側電極Ｅ２も、従来から公知の材料で形成することが可能であり、コンタクト抵抗が小さくなるような金属材料が選ばれる。ｎ側電極Ｅ１には、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）などを、ｐ側電極Ｅ２については、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）などを、好ましく用いることができる。
【００３４】
図４の素子においてｐ型コンタクト層上に設けられたオーミック性の透光性導電補助層は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）のような透明導電性酸化物を用いて形成することができる。
【００３５】
上記のように構成されたＬＥＤ素子は、ｎ側電極が小面積とされるにも拘わらず、ＧａＮ系半導体基板が電流経路として有効活用されることから、大電流を注入したときの動作電圧を低減させることができる。動作電圧が低い場合、素子の発熱が小さくなるので、結果として、素子を構成する部材の劣化が進み難くなり、信頼性や寿命の向上を図ることができる。また、発熱が小さいことから、素子の温度上昇に伴う内部量子効率の低下も抑えることができる。
【００３６】
ＬＥＤ素子の発熱の低減は、当該素子だけでなく、素子が実装された発光装置において素子周辺に配置される部材、例えば、封止樹脂であるとか、素子の固定に用いられる接着材料の劣化抑制にも大きく寄与する。また、ＬＥＤ素子が白色ＬＥＤの励起用光源として使用される場合には、使用される蛍光物質の劣化が抑制される他、明るさを調節したときの色度変化も抑えられる。これは、蛍光物質の発光特性には温度依存性があるところ、ＬＥＤ素子の発熱が小さければ、ＬＥＤ素子に印加する電流を変化させたときの蛍光体の温度変化が抑えられるからである。
【００３７】
また、メタル電極は一般に光吸収体として作用するものであるところ、上記のＬＥＤ素子においてはｎ側電極が小さく形成されているので、電極による光の吸収が抑えられ、素子の発光効率を向上させることができる。
【００３８】
（その他の構造）
ｎ側電極は、例えば図６に示すような接続部Ｅ１０５ａ（ボンディングワイヤなどを接続するためのボンディングパッド部）と、電流を拡散させるための延長部Ｅ１０５ｂとを有するものであってもよい。この延長部Ｅ１０５ｂとしては、図示のような線状のものの他にも、ネット状または樹枝状（不図示）であってもよい。用語「電極の面積ＡＥ」には、このような延長部Ｅ１０５ｂの電極面積も含まれる。このような延長部を有するｎ側電極は、通常、ＬＥＤ素子の面積が大きい場合（例えば、５００μｍ角以上）に採用されるが、ＧａＮ系半導体基板を電流経路として有効に活用することにより、かかる延長部の面積を減らすことができる。
【００３９】
（発光装置）
上記の各形態のＬＥＤ素子は、セラミックパッケージ、樹脂パッケージ、スラグ、リードフレーム、ユニット基板などに実装された形で、本発明の発光装置に組み込まれる。また、本発明の発光装置は、ＳＭＤ型ＬＥＤパッケージ（チップ型ＬＥＤと呼ばれることがある）、砲弾型ランプ、パワーＬＥＤ、チップオンボード（ＣＯＢ）型ユニットなどを備え、その内部に上記の各形態のＬＥＤ素子を含むものであり得る。更に、本発明の発光装置は、ＬＥＤ素子が放出する光の一部を吸収して、異なる波長の光に変換する蛍光物質を備えてもよい。従って、本発明の発光装置は白色ＬＥＤを含むものであり得る。
【００４０】
本発明の発光装置は、ＬＥＤ素子に印加される電流を制御するための制御回路を備える。この制御回路は、発光装置の使用時にＬＥＤ素子に印加される電流が、所定の最大電流値を越えないようにすることができるものであればよい。この制御回路の具体的な構成は特に限定されないが、一例として、公知の電流制限回路が挙げられる。
【００４１】
本発明の発光装置は、使用時にＬＥＤ素子に印加される最大電流値をＩｍａｘとしたときに、Ｉｍａｘが下記条件（ｉ）および（ｉｉ）を満たすことをひとつの特徴としている。
【００４２】
Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ（アンペア）／ｃｍ２〕・・・（ｉ）
素子のＩ−Ｖ曲線において、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない。・・・（ｉｉ）
【００４３】
条件（ｉ）は、活性層の面積ＡＡが６８４００μｍ２（６．８４×１０−４ｃｍ２）のＬＥＤ素子の場合であれば、使用時に当該ＬＥＤ素子に印加される最大電流値Ｉｍａｘが０．１５Ａ（１５０ｍＡ）以上であることを示している。
【００４４】
条件（ｉｉ）については、図５を参照して説明する。図５は、ＬＥＤ素子の模式的なＩ−Ｖ曲線である（横軸が電流Ｉｆ、縦軸が電圧Ｖｆ）。図示するように、ＬＥＤ素子のＩ−Ｖ曲線は、順方向電流値がＩａとなるまでは上に凸のカーブであるが、Ｉａを超えると傾きが急増し、下に凸のカーブとなる。換言すれば、曲線の傾きの変化率がＩａを境に減少から増加に転じる。この変曲点における順方向電流値Ｉａのことを、以下「変曲点電流値」ともいう。
【００４５】
条件（ｉｉ）は、「最大電流値Ｉｍａｘ」を、この変曲点電流値Ｉａより低い値に設定することを意味している。図５に示すように、変曲点電流値Ｉａを越える電流をＬＥＤ素子に印加すると、順方向電流の増加とともに順方向電圧が急激に増加することとなる（Ｉ−Ｖ曲線の傾きが急になる）ので、熱として失われる電流が増加する。
【００４６】
本発明の発光装置においては、最大電流Ｉｍａｘを上記のような変曲点電流値Ｉａより低く設定するが、そのＩｍａｘが上記（ｉ）を満たし得るように、ＬＥＤ素子が構成されていることが重要である。このような素子特性については、特開平１０−１５０２２０号公報および特開２０００−１７４３３８号公報のいずれにおいても何ら記載されていない。
【００４７】
３．実験例
以下、図４に例示したＧａＮ系ＬＥＤ素子の試作および評価の結果を以下に記す。ＬＥＤ素子の平面形状は３５０μｍ×３４０μｍの矩形とした。
【００４８】
３−１．エピタキシャル成長
基板として、ｎ型不純物としてＳｉが添加されたｎ型導電性のｍ面ＧａＮ基板を用意した。その基板上に、常圧ＭＯＶＰＥ法を用いて複数のＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させて半導体層を形成した。ＩＩＩ族原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｖ族原料にはアンモニア、Ｓｉ原料にはシラン、Ｍｇ原料にはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ）を用いた。
【００４９】
各層の成長温度および膜厚を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＧａＮクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に添加した不純物の濃度は表２に示す通りである。
【００５２】
【表２】
【００５３】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層に添加したＭｇの活性化は、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を所定時間成長させた後、ＭＯＶＰＥ装置の成長炉内で基板温度が室温まで降下する間に、該成長炉内に流す窒素ガスおよびアンモニアガスの流量を制御する方法を用いて行った。
【００５４】
３−２．ｐ側電極およびｎ側電極の形成等
上記エピタキシャル成長により形成した半導体積層体の表面（ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の表面）に、電子ビーム蒸着法によりＩＴＯ膜を２１０ｎｍの厚さに形成した。続いて、フォトリソグラフィとエッチングの技法を用いて、このＩＴＯ膜を所定の形状にパターニングして、透光性導電補助層を形成した。
【００５５】
このＩＴＯ膜を熱処理した後、リフトオフ法を用いて、ｎ側電極とｐ側電極を同時に所定のパターンに形成した。これらの電極は、ＴｉＷ層の上にＡｕ層を積層した積層構造とした。ｎ側電極とｐ側電極を形成した後、露出した半導体積層体の表面および透光性電極の表面に、ＳｉＯ２からなるパッシベーション膜を２１３ｎｍの厚さに形成した。
【００５６】
最後にスクライブおよびブレーキングを行うことによりウェハを分断し、ＬＥＤ素子をチップにした。
【００５７】
３−３．順方向電圧の評価
上記手順にて得た、ｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度の異なる３種類のＬＥＤチップ（サンプル１〜３）のそれぞれに対して、ｎ側電極とｐ側電極を通して電流をパルスモード（周期＝１ＰＬＣ）で印加し、順方向電流（Ｉｆ）と順方向電圧（Ｖｆ）との関係を調べた。電流値は０〜３５０ｍＡの範囲で変化させ、熱の影響を避けるために電流印加直後に電圧測定を行った。
【００５８】
図７は、サンプル１〜３のＩ−Ｖ曲線である（横軸がＩｆ、縦軸がＶｆのＩ−Ｖ曲線）。ｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度は、小さい方から順にいうとサンプル１、サンプル２、サンプル３の順であり、キャリア濃度が高くなるにつれてＶｆは低くなった。また、サンプル間のＶｆの差は順方向電流が大きくなるにつれて大きくなる傾向が見られた。
【００５９】
上記定義した変曲点電流値（Ｉ−Ｖ曲線が上に凸のカーブから下に凸のカーブに変わる点における電流値）は、表３に示すように、ｍ面ＧａＮ基板のキャリア濃度が高くなるにつれて高くなる傾向が見られた。
【００６０】
【表３】
【００６１】
サンプル１〜３では、ｎ側電極（オーミック電極を兼用するメタルパッド）の面積（７２３０μｍ２）が活性層（６８４００μｍ２）の面積の１０．６％であり、ｎ側電極が活性層に比べ小面積であるので、ｐｎ接合のｎ側を流れる電流の経路としてのＧａＮ基板の寄与の違いが、このようなＩ−Ｖ曲線の違いになったと考えられる。
【符号の説明】
【００６２】
１０、１１０、２１０ ＧａＮ基板
２０、１２０、２２０ 積層構造
Ｅ１ ｎ側電極
Ｅ２、Ｅ２ａ ｐ側電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記（Ａ）の発光ダイオード素子と、該発光ダイオード素子に印加される電流が最大電流Ｉｍａｘを超えないように制御する制御回路と、を備え、
（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ
（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、
ことを特徴とする発光装置。
（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記ＧａＮ系半導体基板がｍ面ＧａＮ基板である、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記ＧａＮ系半導体基板のキャリア濃度が２．５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内である、請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
下記（Ａ）の発光ダイオード素子に電流を印加して発光させることを含む、光の生成方法であって、該発光ダイオード素子に印加する最大電流をＩｍａｘとしたとき、
（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ
（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、
ことを特徴とする方法。
（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記ＧａＮ系半導体基板がｍ面ＧａＮ基板である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ＧａＮ系半導体基板のキャリア濃度が２．５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内である、請求項４または５に記載の方法。
【請求項１】
下記（Ａ）の発光ダイオード素子と、該発光ダイオード素子に印加される電流が最大電流Ｉｍａｘを超えないように制御する制御回路と、を備え、
（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ
（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、
ことを特徴とする発光装置。
（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記ＧａＮ系半導体基板がｍ面ＧａＮ基板である、請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記ＧａＮ系半導体基板のキャリア濃度が２．５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内である、請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
下記（Ａ）の発光ダイオード素子に電流を印加して発光させることを含む、光の生成方法であって、該発光ダイオード素子に印加する最大電流をＩｍａｘとしたとき、
（ａ）Ｉｍａｘ／ＡＡ≧２２０〔Ａ／ｃｍ２〕；かつ
（ｂ）下記（Ａ）の発光ダイオード素子のＩ−Ｖ曲線が、２０（ｍＡ）〜Ｉｍａｘ（ｍＡ）の範囲内に、該曲線の傾きの変化率が減少から増加に転じる点を有さない、
ことを特徴とする方法。
（Ａ）活性層を含む複数のＧａＮ系半導体層を有する積層構造がＧａＮ系半導体基板の主面上に設けられ、ｎ側電極が該ＧａＮ系半導体基板の表面または該ＧａＮ系半導体基板上に積層されたコンタクト層の表面の一部に形成され、該ｎ側電極の面積ＡＥが該活性層の面積ＡＡの２０％以下である、発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記ＧａＮ系半導体基板がｍ面ＧａＮ基板である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ＧａＮ系半導体基板のキャリア濃度が２．５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内である、請求項４または５に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９８２０５（Ｐ２０１３−９８２０５Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６８６０（Ｐ２０１１−２３６８６０）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
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