半導体発光素子
【課題】発光領域への電流注入密度、および発光効率が高められた半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、支持基板と、第１電極と、第１導電形層と、発光層と、第２導電形層と、第２電極と、を有する。前記第１導電形層は、第１コンタクト層、前記第１コンタクト層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する窓層、第１クラッド層、を有する。前記第２導電形層は、第２クラッド層、電流拡散層、第２コンタクト層、を有する。前記第２電極は、前記第２コンタクト層の上に延在する細線部と、前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられ前記細線部と電気的に接続されたパッド部と、を有する。前記第１コンタクト層および前記窓層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりもそれぞれ大きい。前記第１コンタクト層は、前記窓層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、上方からみて、前記第１コンタクト層と、前記第２コンタクト層と、は、重ならないように設けられたことを特徴とする。
【解決手段】半導体発光素子は、支持基板と、第１電極と、第１導電形層と、発光層と、第２導電形層と、第２電極と、を有する。前記第１導電形層は、第１コンタクト層、前記第１コンタクト層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する窓層、第１クラッド層、を有する。前記第２導電形層は、第２クラッド層、電流拡散層、第２コンタクト層、を有する。前記第２電極は、前記第２コンタクト層の上に延在する細線部と、前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられ前記細線部と電気的に接続されたパッド部と、を有する。前記第１コンタクト層および前記窓層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりもそれぞれ大きい。前記第１コンタクト層は、前記窓層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、上方からみて、前記第１コンタクト層と、前記第２コンタクト層と、は、重ならないように設けられたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置、表示装置、信号機などに用いる発光素子（ＬＥＤ：Light Emitting Diode)には、高出力化が要求される。
【０００３】
発光層の下方に、反射金属層を設けて、発光層から下方に向かった放出光を上方に向けて反射すると光取り出し効率を高めることができる。
【０００４】
しかしながら、例えば、反射金属層側の電極から注入された電流が横方向に広がりすぎると、発光層での実効的な電流注入密度が低下して発光効率が低下する。このため、高い光出力を得ることが困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６５１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発光領域への電流注入密度、および発光効率が高められた半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の半導体発光素子は、支持基板と、前記支持基板の上に設けられた第１電極と、前記第１電極の上に設けられた第１導電形層と、前記第１導電形層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第２導電形層と、前記第２導電形層の上に設けられた第２電極と、を有する。前記第１導電形層は、前記第１電極の側から、第１コンタクト層、前記第１コンタクト層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する窓層、第１クラッド層、をこの順序に少なくとも有する。前記第２導電形層は、前記発光層の側から、第２クラッド層、電流拡散層、第２コンタクト層、をこの順序に少なくとも有する。前記第２電極は、前記第２コンタクト層の上に延在する細線部と、前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられ前記細線部と電気的に接続されたパッド部と、を有する。前記第１コンタクト層および前記窓層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりもそれぞれ大きい。前記第１コンタクト層は、前記窓層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、上方からみて、前記第１コンタクト層と、前記第２コンタクト層と、は、重ならないように設けられたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図２】第１の実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の模式平面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の工程断面図であり、図３（ａ）は半導体層の模式図、図３（ｂ）は第１コンタクト層をパターニングした模式図、図３（ｃ）はＩＴＯを形成した模式図、図３（ｄ）はウェーハ接着の模式図、図３（ｅ）は第２コンタクト層をパターニングした模式図、図３（ｆ）は分割した素子の模式図、である。
【図４】比較例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
【図５】第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
【図６】図６（ａ）は第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図６（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
半導体発光素子は、支持基板１０と、支持基板１０の上に設けられた第１電極２０と、第１電極２０の上に設けられた半導体層５８と、を有する。半導体層５８は、発光層４０と、窓層３４と、第１コンタクト層３２と、を少なくとも含む。また、窓層３４は、第１電極２０の一部と接する。なお、本明細書において、「窓層」とは、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、発光層からの光を透過可能な層であるものとする。
【００１０】
第１コンタクト層３２は、窓層３４と第１電極２０との間に選択的に設けられる。さらに、第１コンタクト層３２は、窓層３４および第１電極２０に接し、窓層３４の導電率よりも高い導電率を有する。このようにすると、第１電極２０と第１コンタクト層３２とのコンタクト抵抗が、第１電極２０と窓層３４とのコンタクト抵抗よりも低くできる。このため、第１電極２０は、第１コンタクト層３２を介して窓層３４にキャリアを注入できる。
【００１１】
また、図１（ｂ）に示すように、半導体層５８は、第１電極２０の側から、第１コンタクト層３２、窓層３４、組成傾斜層３６、第１クラッド層３８、発光層４０、第２クラッド層５２、電流拡散層５４、第２コンタクト層５６などを含むことができる。なお、半導体層５８の構造は、これに限定されない。第２電極６０は、第２コンタクト層５６の非形成領域に設けられたパッド部６０ａと、パッド部６０ａと接続された細線部６０ｂと、を有することができる。細線部６０ｂは第２コンタクト層５６の上に設けられているが、バッド部６０ａの近傍部では第２コンタクト層５６の非形成領域に細線部６０ｂを設けることができる。バッド部６０ａの直下近傍には第１コンタクト層が存在しておらず電流注入がなされないので、第２コンタクト層５６を設ける必要がないからである。第２電極６０が設けられていない半導体層５８の表面に凹凸を有する光取り出し面５８ａを設けると、光取り出し効率を高めることができる。
【００１２】
また、支持基板１０を導電性とすることにより、第１電極２０と支持基板１０の裏面に設けられた裏面電極６２とを導通させることができる。
【００１３】
第１電極２０は、半導体層５８の側から、例えば、透明導電膜２６、反射金属層２５、バリア金属層２４、第２接合金属層２３、第１接合金属層２２ 、バリア金属層２１、などとすることができる。なお、構造はこれに限定されるものではない。
【００１４】
図１（ａ）の模式平面図のように、第２コンタクト層５６は、上方からみて、破線で表す第１コンタクト層３２とは重ならないように設けられる。また、第１コンタクト層３２は、上方からみて、細線部６０ｂの延在する方向に分散して設けられた複数領域を含むことができる。すなわち、電流は、選択的に設けられた第１コンタクト層３２を介して第１電極２０と第２電極６０との間を流れる。また、細線部６０ｂと、第１コンタクト層３２と、の間の上方からみた最短距離は、例えば５μｍとすることができる。このため、上方からみて、発光層４０のうち発光強度が大きい領域と細線部６０ｂとが重ならない様にし、高輝度とすることができる。なお、図１（ａ）において、第１コンタクト層３２は矩形であるが、平面形状はこれに限定されず、円形、楕円形、多角形、などであってもよい。
【００１５】
図２は、第１の実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の模式平面図である。
第１コンタクト層３２は、上方からみて、細線部６０ｂの延在する方向に、幅が数μｍ、長さが数十μｍ、の矩形状としてもよい。この場合、上方からみて、破線で表す第１コンタクト層３２と、第２コンタクト層５６と、は重ならないように設けられる。
【００１６】
図３（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の工程断面図であり、図３（ａ）は半導体層の模式図、図３（ｂ）は第１コンタクト層をパターニングした模式図、図３（ｃ）はＩＴＯを形成した模式図、図３（ｄ）はウェーハ接着の模式図、図３（ｅ）は第２コンタクト層をパターニングした模式図、図３（ｆ）は分割した素子の模式図、である。
【００１７】
ＧａＡｓからなる結晶成長基板７０の上に、ｎ形ＧａＡｓの第２コンタクト層５６（１×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度、０．１μｍの厚さ）、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐの電流拡散層５４（１．６×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度、３．５μｍの厚さ）、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第２クラッド層５２（４×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度、０．６μｍの厚さ）、発光層４０、ｐ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第１クラッド層３８（３×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度、０．６μｍの厚さ）、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからｐ形ＧａＰへ組成を徐々に変化させた組成傾斜層３６（０．０３μｍの厚さ）、ｐ形ＧａＰの窓層３４（３×１０１８ｃｍ−３の不純物濃度、０．３μｍの厚さ）、ｐ形ＧａＰの第１コンタクト層３２（５×１０２０ｃｍ−３の不純物濃度、０．１μｍの厚さ）、がこの順に積層された半導体層５８が形成される（図３（ａ））。
【００１８】
発光層４０は、例えば、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐからなり、４ｎｍの厚さの井戸層２０と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐからなり、厚さ７ｎｍの障壁層を２１と、を有するＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とする。発光層４０は、例えば、０．６１〜０．７μｍの赤色光波長範囲の光を放出可能である。なお、半導体層５８の構造は、これらに限定されない。また、半導体層５８は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法などを用いて結晶成長を行うことができる。
【００１９】
続いて、図３（ｂ）のように、第１コンタクト層３２のうち、窓層３４へ電流注入を行う領域をパターニングにより凸部として残し、他の領域を除去する。除去する方法としては、酸溶液を用いたウェットエッチング法やＲＩＥ（Ｒeactive Ion Etching)などのドライエッチング法を用いることができる。
【００２０】
続いて、図３（ｃ）のように、パターニングされた第１コンタクト層（凸部）３２、および凸部のまわりの底面となる窓層３４を含む半導体層５８の凹凸面の上に、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide)、酸化亜鉛、酸化錫などの透明導電膜２６を形成する。
【００２１】
さらに、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕなどのうちの少なくともいずれかを含む反射金属層２５、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉなどを含むバリア金属層２４、ＡｕまたはＡｕＩｎなどの第２接合金属層２３、をこの順序で形成する。他方、導電性Ｓｉなどからなる支持基板１０に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉなどを含むバリア金属層２１、ＡｕＩｎなどの第１接合金属層２２、をこの順序で形成する。このようにすると、第１電極２０と、半導体層５８と、の密着性を高め、かつ凹凸により光取り出し効率を高めることができる。
【００２２】
図３（ｄ）のように、結晶成長基板７０の上に形成された半導体層５８の側の第２接合金属層２３の表面と、支持基板１０の側の第１接合金属層２２とを重ね合わせ、加熱かつ加圧により、ウェーハ接着を行う。
【００２３】
続いて、図３（ｅ）のように、結晶成長基板７０を除去する。さらに、細線部６０ｂの電流注入を行う領域にのみ第２コンタクト層５６を残す。
【００２４】
続いて、図３（ｆ）のように、細線部６０ｂがパターニングされた第２コンタクト層５６の領域に延在するように、パッド部６０ａが第２コンタクト層５６の非形成領域に、それぞれ形成される。パッド部６０ａと細線部６０ｂとを含む第２電極６０は、半導体層５８の側から、例えばＡｕＧｅ、Ａｕなどをこの順序で積層したものとすることができる。さらに、第２電極６０が形成されていない半導体層５８の表面にフロスト加工を行い凹凸を形成し、光取り出し面５８ａとする。また、支持基板１０の裏面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどからなる裏面電極６２を形成する。
【００２５】
発光層４０が、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）を含むものとすると、緑〜赤色の波長範囲の光を放出することができる。また、発光層４０が、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．４５）を含むものとすると、赤色から近赤外光の波長範囲の光を放出することができる。さらに、発光層４０が、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のを含むものとすると、近赤外光の波長範囲の光を放出することができる。
【００２６】
ｐ形ＧａＰからなる第１コンタクト層３２および窓層３４は、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有し、約０．５５μｍより長い波長範囲の光を吸収しない。また、第１コンタクト層３２としては、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ（０．３≦ｘ）やＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．５≦ｘ）としてもよい。
【００２７】
本実施形態では、第２コンタクト層５６をＧａＡｓとしているが、第２コンタクト層５６はＩｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．５）、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のいずれかとしてもよい。半導体と金属のオーミック接触を考えた場合、一般的に半導体のバンドギャップエネルギーが小さい方が低いコンタクト抵抗が得られる。よって、赤〜緑色(バンドギャップエネルギー：２．０〜２．２ｅＶ)の発光波長範囲に対して、第２コンタクト層５６としてこれよりバンドギャップエネルギーが小さい材料を用いることによりコンタクト抵抗を下げることができる。例えば、第２コンタクト層５６としてＧａＡｓ(バンドギャップエネルギーは、１．４ｅＶ)を用い、第２コンタクト層５６に接する第２電極６０の材料としてＡｕＧｅ合金を用いて、４００℃でシンター工程を行なうと、コンタクト抵抗して５×１０−５Ω・ｃｍ２を得ることができる。
【００２８】
細線部６０ｂと第２コンタクト層５６の接触している面積(電流が注入される面積)は狭いので、動作時の順方向電圧の上昇を引き起こさないためには、コンタクト抵抗を１×１０−４Ω・ｃｍ２以下とすることが望ましい。そのためには、第２コンタクト層５６の材料として、発光波長範囲の赤〜緑色に対応するバンドギャップエネルギー（２．０〜２．２ｅＶ)よりも小さいバンドギャップエネルギーを持つ、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．５）、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のいずれかとすることが有利である。
【００２９】
また、発光層４０は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含み、窓層３４および第１コンタクト層３２は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）を含む系からなる半導体層５８としてもよい。この場合、発光層４０は、紫外〜緑色の波長範囲の光を放出することができる。また、第２コンタクト層５６としては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むものとしてもよい。
【００３０】
ＩＴＯとＧａＰとは合金層を形成しにくいので、合金層における放出光の吸収がほとんどない。これに対して、ＩＴＯを間に介さずに、例えばＡｕとＧａＰの窓層、およびＡｕとＧａＰの第１コンタクト層と、をそれぞれ接触させると、例えば第２電極６０のシンター工程において、ＧａＰとＡｕとの界面に合金層が形成され、放出光の一部を吸収する。この結果、輝度低下を生じる。
【００３１】
また、ｐ形ＧａＰの第１コンタクト層３２には、カーボン（Ｃ）などが高濃度でドーピングされている。本発明者らの実験により、第１コンタクト層３２の不純物濃度が５×１０１９ｃｍ−３よりも高いと、第１コンタクト層３２とＩＴＯとのコンタクト抵抗を１×１０−３W・ｃｍ２よりも低くできることが判明した。他方、ｐ形ＧａＰからなる窓層３４の不純物濃度（活性化率がほぼ１と見なせるので、キャリア濃度と不純物濃度とはほぼ等しい）は、１〜５×１０１８ｃｍ−３などの範囲でドーピングを行う。窓層の不純物としては、カーボンの他にＺｎを用いることもできる。ＧａＰ層の不純物濃度が５×１０１９ｃｍ−３よりも低いと、第１コンタクト層３２とＩＴＯとのコンタクト抵抗は１×１０−３W・ｃｍ２以上と高くなることも判明した。
【００３２】
反射金属層２５として、Ａｕを用いることもできる。但し、発光波長が０．６μｍ以下の場合、Ａｕの光反射率は低下するので、短波長領域においても光反射率の低下が顕著に起こらないＡｇを用いる方が高輝度とすることができる。また、ＡｇにＩｎなどを添加したＡｇ合金を用いると、耐湿性を含む耐環境性を高めることができる。
【００３３】
図４は、比較例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
Ｓｉからなる支持基板１１０の上に第１電極１２０が設けられている。第１電極１２０は、支持基板１１０の側から、バリア金属層１２１、第１接合金属層１２２、第２接合金属層１２３、バリア金属層１２４、Ａｇ層１２５、ＩＴＯ膜１２６、が積層された構造である。
【００３４】
半導体層１５８は、第２コンタクト層１５６、電流拡散層１５４、第２クラッド層１５２、発光層１４０、第１クラッド層１３８、組成傾斜層１３６、窓層１３４、第１コンタクト層１３２、がこの順に積層される。それぞれの層の材質、不純物濃度、厚さ、は、図３（ａ）に表す第１の実施形態と同じものとする。なお、結晶成長後に第１コンタクト層１３２の上に電流ブロック層としてＳｉＯ２などの絶縁層１９０が形成され、さらに選択的に開口部１９０ａが設けられる。開口部１９０ａを覆うように、ＩＴＯ膜１２６、Ａｇ層１２５、バリア金属層１２４、第２接合金属層１２３が設けられる。そののち、ウェーハ接着工程を経て、図４の構造とすることができる。
【００３５】
比較例において、第１電極１２０から注入された正孔は、第１コンタクト層１３２には高濃度にドーピングされており抵抗率が非常に低いので、第１コンタクト層１３２内を横方向に、内側に向かって広がるキャリアフローＦ１を生じる。他方、第２電極１６０の細線部１６０ｂから注入された電子は、電流拡散層１５４により横方向に、外側に向かって広がるキャリアフローＦ２を生じる。すなわち、発光層１４０の上方および下方においてキャリアが広がる。このため、発光領域ＥＥＧが横方向に広がり、実効的な電流注入密度が低下して発光効率が低下する。
【００３６】
これに対して、第１の実施形態では、第１コンタクト層３２が除去された領域は、窓層３４と透明導電膜２６とのコンタクト抵抗が高いため、正孔は注入されない。第１コンタクト層３２と透明導電膜２６とのコンタクト抵抗は低いので、正孔が注入されキャリアフローＦ１を生じる。この場合、選択的に設けられた第１コンタクト層３２により、正孔は横方向へ広がりにくく、発光領域ＥＲが横方向へ広がることが抑制できる。また、第１コンタクト層３２、窓層３４、及び第１クラッド層３８からなりｐ形である第１導電形層３０の厚さの総和は、第２クラッド層５２、電流拡散層５４、および第２コンタクト層５６からなりｎ形である第２導電形層５０の厚さの総和よりも小さく、かつ正孔の有効質量が電子の有効質量よりも大きいことから、正孔は第１電極２０から注入され直上の発光層４０に向かって進む。
【００３７】
他方、電流拡散層５４が低抵抗でありかつ電子の有効質量が小さいことにより、電子は第２電極６０から注入されキャリアフローＦ２を生じ、横方向に広がりつつ発光層４０へ流れ込む。この結果、破線で示す発光領域ＥＲは細線部６０ｂの直下へは広がらない。このため、発光層４０における電流注入密度が実効的に高められ、高い発光効率とすることができる。発明者らは、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の輝度が、比較例の半導体発光素子の輝度よりも２０％以上高くすることができることを確認した。この場合、順方向電圧の上昇も抑制され、かつ素子の信頼性を確保できることも確認された。
【００３８】
また、第１の実施形態において、発光層４０から下方に向かう光Ｇｄは、第１クラッド層３８、組成傾斜層３６、窓層３４、透明導電膜２６を通過し、反射金属層２５により反射され上方へ向かう反射光Ｇｒとなる。反射光Ｇｒと、発光層４０から上方へ向かう光と、が出力光Ｇｏとして、光取り出し面５８ａから放出される。もし、透明導電膜２６が厚すぎると、下方に向かう光Ｇｄと、上方へ向かう反射光Ｇｒと、が干渉し、輝度が低下することがある。他方、透明導電膜２６が薄すぎると、第１コンタクト層３２と透明導電膜２６とのコンタクト抵抗が上昇し、順方向電圧が上昇することがある。本発明者らの実験によれば、透明導電膜２６の厚さを０．０４〜０．０９μｍの範囲とすると、輝度を高く保ちつつ、順方向電圧を低く保つことができることが判明した。
【００３９】
また、第１コンタクト層３２が薄すぎると、透明導電膜２６と第１コンタクト層３２とのコンタクト抵抗が上昇し、順方向電圧の増加を生じる。よって、順方向電圧の増加を生じさせないためには、第１コンタクト層３２の厚さを０．０３μｍ以上とする必要がある。一方、ＧａＰからなる第１コンタクト層３２の不純物濃度は高いので、バンドギャップ内に不純物準位が形成され、発光層４０からの光を吸収することがある。すなわち、第１コンタクト層３２が厚が０．２μｍ、以上の場合には、輝度低下を生じやすい。さらに、第１コンタクト層３２をエッチング除去する場合、第１コンタクト層３２が厚すぎるとエッチング時間が長くなり、除去された部分の深さの面内分布が大きくなるなどの問題を生じる。このため、第１コンタクト層３２の厚さは、０．０３〜０．２μｍの範囲であることが好ましい。
【００４０】
また、窓層３４が厚すぎると、窓層３４内でも電流が横方向に広がり、発光領域ＥＲが細線部６０ｂの下方まで広がり、輝度の低下を生じる。他方、窓層３４が薄すぎると形状の制御が不十分となる。すなわち、第１コンタクト層３２が、例えば、０．１μｍの場合、電流を注入しない領域の第１コンタクト層を除去するとき、１００％のオーバーエッチング条件でエッチングを行うと、エッチング深さが０．２μｍとなる。窓層３４の厚さが０．２μｍ以上でないと、組成傾斜層３６や第１クラッド層３８までエッチングが進むことがある。このため、窓層３４の厚さは、０．２〜０．６μｍの範囲とすることが好ましい。
【００４１】
図５は、第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
第２の実施形態では、窓層３４の表面のうち、第１コンタクト層３２が設けられていない領域に、ＳｉＯ２などの絶縁膜９０を設ける。絶縁膜９０には開口部９０ａが設けられ、透明導電膜２６は、開口部９０ａに露出した第１コンタクト層３２と、開口部９０ａの非形成領域となる絶縁膜９０と、を覆うように設けられる。さらに透明導電膜２６の上に第１電極２０が設けられる。正孔は、電流ブロック層９０でブロックされるので、第１コンタクト層３２を通って窓層３４へ注入される。
【００４２】
第２の実施形態においても、第１導電形層３０の厚さは、第２導電形層５０の厚さよりも小さく、正孔の有効質量は電子の有効質量よりも重いので、正孔は第１導電形層３０内で横方向へ広がらないで第１コンタクト層３２の直上の発光層４０へ注入される。このため、図５のように、発光領域は第１コンタクト層３２の直上となり、電流注入密度を高く保つことができる。第２の実施形態にかかる半導体発光素子は、比較例に対して、輝度を約２０％以上高めることができる。
【００４３】
絶縁膜９０として、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ（Ｓｉ３Ｎ４を含む）を用いると、発光層４０からの光の吸収を抑制できる。また、窓層３４と、透明導電膜２６と、の間の電気的な絶縁をより確実にすることができる。動作電流密度が高く、例えば１Ａよりも高い高電流駆動の出力ＬＥＤの場合、このように絶縁膜を設けることが好ましい。
【００４４】
図６（ａ）は第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図６（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
半導体層５８は、第２コンタクト層５６、電流拡散層５４、第２クラッド層５２、発光層４０、第１クラッド層３８、組成傾斜層３６、窓層３４、第１コンタクト層３２、がこの順に積層される。それぞれの層の材質、不純物濃度、厚さ、は、図３（ａ）に表す第１の実施形態と同じものとする。
【００４５】
第１コンタクト層３２は、図１（ａ）および（ｂ）のように上方からみて、細線部６０ｂの方向に分散して設けられている。他方、電流拡散層５４の上に設けられ、ＧａＡｓなどからなる第２コンタクト層５６も、細線部６０ｂに沿って分散して設けられている。細線部６０ｂは、分散して設けられた第２コンタクト層５６の上および電流拡散層５４の上に延在する。
【００４６】
細線部６０ｂと第２コンタクト層５６とのコンタクト抵抗は、細線部６０ｂとｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐの電流拡散層５４とのコンタクト抵抗よりも低い。このため、図６（ｂ）のように、電子は、細線部６０ｂから第２コンタクト層５６へ注入され、第２コンタクト層５６を介して電流拡散層５４へ流れ込む。電子は、電流拡散層５４を横方向へ広がりつつ発光層４０へ向かって進むキャリアフローＦ２を生じる。他方、正孔は第１コンタクト層３２から直上の発光層４０へ向かって進む。この場合、第２コンタクト層５６が設けられた領域は、第１コンタクト層３２の上の発光領域ＥＲまでの距離が長くなるので、第２コンタクト層５６での光吸収が低減され、光取り出し効率をさらに高めることができる。なお、第２コンタクト層５６のみを分散し、第１コンタクト層３２が連続して設けられていても光吸収を低減することができる。
【００４７】
第１〜第３の実施形態およびこれらに付随した変形例にかかる半導体発光素子は、発光層を挟んで設けられた第１および第２のコンタクト層のうち、少なくともいずれかを除去し、第１コンタクト層３２と第２コンタクト層５６を、上方から見て重ならないように設ける。また、上方からみて、発光強度の高い領域と細線電極６０ｂとが重ならないように設ける。このため、発光層への電流注入密度および発光効率を高め、光取り出し効率を高めることができる。この様にして得られた高出力ＬＥＤは、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いられる。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 支持基板、２０ 第１電極、２５ 反射金属層、２６ 透明導電膜、３２ 第１コンタクト層、３４ 窓層、４０ 発光層、５６ 第２コンタクト層、５８ 半導体層、６０ 第２電極、６０ａ パッド部、６０ｂ 細線部、９０ 絶縁層
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
照明装置、表示装置、信号機などに用いる発光素子（ＬＥＤ：Light Emitting Diode)には、高出力化が要求される。
【０００３】
発光層の下方に、反射金属層を設けて、発光層から下方に向かった放出光を上方に向けて反射すると光取り出し効率を高めることができる。
【０００４】
しかしながら、例えば、反射金属層側の電極から注入された電流が横方向に広がりすぎると、発光層での実効的な電流注入密度が低下して発光効率が低下する。このため、高い光出力を得ることが困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−６５１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発光領域への電流注入密度、および発光効率が高められた半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の半導体発光素子は、支持基板と、前記支持基板の上に設けられた第１電極と、前記第１電極の上に設けられた第１導電形層と、前記第１導電形層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられた第２導電形層と、前記第２導電形層の上に設けられた第２電極と、を有する。前記第１導電形層は、前記第１電極の側から、第１コンタクト層、前記第１コンタクト層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する窓層、第１クラッド層、をこの順序に少なくとも有する。前記第２導電形層は、前記発光層の側から、第２クラッド層、電流拡散層、第２コンタクト層、をこの順序に少なくとも有する。前記第２電極は、前記第２コンタクト層の上に延在する細線部と、前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられ前記細線部と電気的に接続されたパッド部と、を有する。前記第１コンタクト層および前記窓層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりもそれぞれ大きい。前記第１コンタクト層は、前記窓層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、上方からみて、前記第１コンタクト層と、前記第２コンタクト層と、は、重ならないように設けられたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図２】第１の実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の模式平面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の工程断面図であり、図３（ａ）は半導体層の模式図、図３（ｂ）は第１コンタクト層をパターニングした模式図、図３（ｃ）はＩＴＯを形成した模式図、図３（ｄ）はウェーハ接着の模式図、図３（ｅ）は第２コンタクト層をパターニングした模式図、図３（ｆ）は分割した素子の模式図、である。
【図４】比較例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
【図５】第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
【図６】図６（ａ）は第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図６（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
半導体発光素子は、支持基板１０と、支持基板１０の上に設けられた第１電極２０と、第１電極２０の上に設けられた半導体層５８と、を有する。半導体層５８は、発光層４０と、窓層３４と、第１コンタクト層３２と、を少なくとも含む。また、窓層３４は、第１電極２０の一部と接する。なお、本明細書において、「窓層」とは、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有し、発光層からの光を透過可能な層であるものとする。
【００１０】
第１コンタクト層３２は、窓層３４と第１電極２０との間に選択的に設けられる。さらに、第１コンタクト層３２は、窓層３４および第１電極２０に接し、窓層３４の導電率よりも高い導電率を有する。このようにすると、第１電極２０と第１コンタクト層３２とのコンタクト抵抗が、第１電極２０と窓層３４とのコンタクト抵抗よりも低くできる。このため、第１電極２０は、第１コンタクト層３２を介して窓層３４にキャリアを注入できる。
【００１１】
また、図１（ｂ）に示すように、半導体層５８は、第１電極２０の側から、第１コンタクト層３２、窓層３４、組成傾斜層３６、第１クラッド層３８、発光層４０、第２クラッド層５２、電流拡散層５４、第２コンタクト層５６などを含むことができる。なお、半導体層５８の構造は、これに限定されない。第２電極６０は、第２コンタクト層５６の非形成領域に設けられたパッド部６０ａと、パッド部６０ａと接続された細線部６０ｂと、を有することができる。細線部６０ｂは第２コンタクト層５６の上に設けられているが、バッド部６０ａの近傍部では第２コンタクト層５６の非形成領域に細線部６０ｂを設けることができる。バッド部６０ａの直下近傍には第１コンタクト層が存在しておらず電流注入がなされないので、第２コンタクト層５６を設ける必要がないからである。第２電極６０が設けられていない半導体層５８の表面に凹凸を有する光取り出し面５８ａを設けると、光取り出し効率を高めることができる。
【００１２】
また、支持基板１０を導電性とすることにより、第１電極２０と支持基板１０の裏面に設けられた裏面電極６２とを導通させることができる。
【００１３】
第１電極２０は、半導体層５８の側から、例えば、透明導電膜２６、反射金属層２５、バリア金属層２４、第２接合金属層２３、第１接合金属層２２ 、バリア金属層２１、などとすることができる。なお、構造はこれに限定されるものではない。
【００１４】
図１（ａ）の模式平面図のように、第２コンタクト層５６は、上方からみて、破線で表す第１コンタクト層３２とは重ならないように設けられる。また、第１コンタクト層３２は、上方からみて、細線部６０ｂの延在する方向に分散して設けられた複数領域を含むことができる。すなわち、電流は、選択的に設けられた第１コンタクト層３２を介して第１電極２０と第２電極６０との間を流れる。また、細線部６０ｂと、第１コンタクト層３２と、の間の上方からみた最短距離は、例えば５μｍとすることができる。このため、上方からみて、発光層４０のうち発光強度が大きい領域と細線部６０ｂとが重ならない様にし、高輝度とすることができる。なお、図１（ａ）において、第１コンタクト層３２は矩形であるが、平面形状はこれに限定されず、円形、楕円形、多角形、などであってもよい。
【００１５】
図２は、第１の実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の模式平面図である。
第１コンタクト層３２は、上方からみて、細線部６０ｂの延在する方向に、幅が数μｍ、長さが数十μｍ、の矩形状としてもよい。この場合、上方からみて、破線で表す第１コンタクト層３２と、第２コンタクト層５６と、は重ならないように設けられる。
【００１６】
図３（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の工程断面図であり、図３（ａ）は半導体層の模式図、図３（ｂ）は第１コンタクト層をパターニングした模式図、図３（ｃ）はＩＴＯを形成した模式図、図３（ｄ）はウェーハ接着の模式図、図３（ｅ）は第２コンタクト層をパターニングした模式図、図３（ｆ）は分割した素子の模式図、である。
【００１７】
ＧａＡｓからなる結晶成長基板７０の上に、ｎ形ＧａＡｓの第２コンタクト層５６（１×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度、０．１μｍの厚さ）、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐの電流拡散層５４（１．６×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度、３．５μｍの厚さ）、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第２クラッド層５２（４×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度、０．６μｍの厚さ）、発光層４０、ｐ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第１クラッド層３８（３×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度、０．６μｍの厚さ）、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．７Ａｌ０．３）０．５Ｐからｐ形ＧａＰへ組成を徐々に変化させた組成傾斜層３６（０．０３μｍの厚さ）、ｐ形ＧａＰの窓層３４（３×１０１８ｃｍ−３の不純物濃度、０．３μｍの厚さ）、ｐ形ＧａＰの第１コンタクト層３２（５×１０２０ｃｍ−３の不純物濃度、０．１μｍの厚さ）、がこの順に積層された半導体層５８が形成される（図３（ａ））。
【００１８】
発光層４０は、例えば、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐからなり、４ｎｍの厚さの井戸層２０と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐからなり、厚さ７ｎｍの障壁層を２１と、を有するＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とする。発光層４０は、例えば、０．６１〜０．７μｍの赤色光波長範囲の光を放出可能である。なお、半導体層５８の構造は、これらに限定されない。また、半導体層５８は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法などを用いて結晶成長を行うことができる。
【００１９】
続いて、図３（ｂ）のように、第１コンタクト層３２のうち、窓層３４へ電流注入を行う領域をパターニングにより凸部として残し、他の領域を除去する。除去する方法としては、酸溶液を用いたウェットエッチング法やＲＩＥ（Ｒeactive Ion Etching)などのドライエッチング法を用いることができる。
【００２０】
続いて、図３（ｃ）のように、パターニングされた第１コンタクト層（凸部）３２、および凸部のまわりの底面となる窓層３４を含む半導体層５８の凹凸面の上に、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide)、酸化亜鉛、酸化錫などの透明導電膜２６を形成する。
【００２１】
さらに、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕなどのうちの少なくともいずれかを含む反射金属層２５、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉなどを含むバリア金属層２４、ＡｕまたはＡｕＩｎなどの第２接合金属層２３、をこの順序で形成する。他方、導電性Ｓｉなどからなる支持基板１０に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉなどを含むバリア金属層２１、ＡｕＩｎなどの第１接合金属層２２、をこの順序で形成する。このようにすると、第１電極２０と、半導体層５８と、の密着性を高め、かつ凹凸により光取り出し効率を高めることができる。
【００２２】
図３（ｄ）のように、結晶成長基板７０の上に形成された半導体層５８の側の第２接合金属層２３の表面と、支持基板１０の側の第１接合金属層２２とを重ね合わせ、加熱かつ加圧により、ウェーハ接着を行う。
【００２３】
続いて、図３（ｅ）のように、結晶成長基板７０を除去する。さらに、細線部６０ｂの電流注入を行う領域にのみ第２コンタクト層５６を残す。
【００２４】
続いて、図３（ｆ）のように、細線部６０ｂがパターニングされた第２コンタクト層５６の領域に延在するように、パッド部６０ａが第２コンタクト層５６の非形成領域に、それぞれ形成される。パッド部６０ａと細線部６０ｂとを含む第２電極６０は、半導体層５８の側から、例えばＡｕＧｅ、Ａｕなどをこの順序で積層したものとすることができる。さらに、第２電極６０が形成されていない半導体層５８の表面にフロスト加工を行い凹凸を形成し、光取り出し面５８ａとする。また、支持基板１０の裏面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどからなる裏面電極６２を形成する。
【００２５】
発光層４０が、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）を含むものとすると、緑〜赤色の波長範囲の光を放出することができる。また、発光層４０が、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．４５）を含むものとすると、赤色から近赤外光の波長範囲の光を放出することができる。さらに、発光層４０が、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のを含むものとすると、近赤外光の波長範囲の光を放出することができる。
【００２６】
ｐ形ＧａＰからなる第１コンタクト層３２および窓層３４は、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有し、約０．５５μｍより長い波長範囲の光を吸収しない。また、第１コンタクト層３２としては、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ（０．３≦ｘ）やＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．５≦ｘ）としてもよい。
【００２７】
本実施形態では、第２コンタクト層５６をＧａＡｓとしているが、第２コンタクト層５６はＩｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．５）、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のいずれかとしてもよい。半導体と金属のオーミック接触を考えた場合、一般的に半導体のバンドギャップエネルギーが小さい方が低いコンタクト抵抗が得られる。よって、赤〜緑色(バンドギャップエネルギー：２．０〜２．２ｅＶ)の発光波長範囲に対して、第２コンタクト層５６としてこれよりバンドギャップエネルギーが小さい材料を用いることによりコンタクト抵抗を下げることができる。例えば、第２コンタクト層５６としてＧａＡｓ(バンドギャップエネルギーは、１．４ｅＶ)を用い、第２コンタクト層５６に接する第２電極６０の材料としてＡｕＧｅ合金を用いて、４００℃でシンター工程を行なうと、コンタクト抵抗して５×１０−５Ω・ｃｍ２を得ることができる。
【００２８】
細線部６０ｂと第２コンタクト層５６の接触している面積(電流が注入される面積)は狭いので、動作時の順方向電圧の上昇を引き起こさないためには、コンタクト抵抗を１×１０−４Ω・ｃｍ２以下とすることが望ましい。そのためには、第２コンタクト層５６の材料として、発光波長範囲の赤〜緑色に対応するバンドギャップエネルギー（２．０〜２．２ｅＶ)よりも小さいバンドギャップエネルギーを持つ、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．５）、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のいずれかとすることが有利である。
【００２９】
また、発光層４０は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含み、窓層３４および第１コンタクト層３２は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）を含む系からなる半導体層５８としてもよい。この場合、発光層４０は、紫外〜緑色の波長範囲の光を放出することができる。また、第２コンタクト層５６としては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むものとしてもよい。
【００３０】
ＩＴＯとＧａＰとは合金層を形成しにくいので、合金層における放出光の吸収がほとんどない。これに対して、ＩＴＯを間に介さずに、例えばＡｕとＧａＰの窓層、およびＡｕとＧａＰの第１コンタクト層と、をそれぞれ接触させると、例えば第２電極６０のシンター工程において、ＧａＰとＡｕとの界面に合金層が形成され、放出光の一部を吸収する。この結果、輝度低下を生じる。
【００３１】
また、ｐ形ＧａＰの第１コンタクト層３２には、カーボン（Ｃ）などが高濃度でドーピングされている。本発明者らの実験により、第１コンタクト層３２の不純物濃度が５×１０１９ｃｍ−３よりも高いと、第１コンタクト層３２とＩＴＯとのコンタクト抵抗を１×１０−３W・ｃｍ２よりも低くできることが判明した。他方、ｐ形ＧａＰからなる窓層３４の不純物濃度（活性化率がほぼ１と見なせるので、キャリア濃度と不純物濃度とはほぼ等しい）は、１〜５×１０１８ｃｍ−３などの範囲でドーピングを行う。窓層の不純物としては、カーボンの他にＺｎを用いることもできる。ＧａＰ層の不純物濃度が５×１０１９ｃｍ−３よりも低いと、第１コンタクト層３２とＩＴＯとのコンタクト抵抗は１×１０−３W・ｃｍ２以上と高くなることも判明した。
【００３２】
反射金属層２５として、Ａｕを用いることもできる。但し、発光波長が０．６μｍ以下の場合、Ａｕの光反射率は低下するので、短波長領域においても光反射率の低下が顕著に起こらないＡｇを用いる方が高輝度とすることができる。また、ＡｇにＩｎなどを添加したＡｇ合金を用いると、耐湿性を含む耐環境性を高めることができる。
【００３３】
図４は、比較例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
Ｓｉからなる支持基板１１０の上に第１電極１２０が設けられている。第１電極１２０は、支持基板１１０の側から、バリア金属層１２１、第１接合金属層１２２、第２接合金属層１２３、バリア金属層１２４、Ａｇ層１２５、ＩＴＯ膜１２６、が積層された構造である。
【００３４】
半導体層１５８は、第２コンタクト層１５６、電流拡散層１５４、第２クラッド層１５２、発光層１４０、第１クラッド層１３８、組成傾斜層１３６、窓層１３４、第１コンタクト層１３２、がこの順に積層される。それぞれの層の材質、不純物濃度、厚さ、は、図３（ａ）に表す第１の実施形態と同じものとする。なお、結晶成長後に第１コンタクト層１３２の上に電流ブロック層としてＳｉＯ２などの絶縁層１９０が形成され、さらに選択的に開口部１９０ａが設けられる。開口部１９０ａを覆うように、ＩＴＯ膜１２６、Ａｇ層１２５、バリア金属層１２４、第２接合金属層１２３が設けられる。そののち、ウェーハ接着工程を経て、図４の構造とすることができる。
【００３５】
比較例において、第１電極１２０から注入された正孔は、第１コンタクト層１３２には高濃度にドーピングされており抵抗率が非常に低いので、第１コンタクト層１３２内を横方向に、内側に向かって広がるキャリアフローＦ１を生じる。他方、第２電極１６０の細線部１６０ｂから注入された電子は、電流拡散層１５４により横方向に、外側に向かって広がるキャリアフローＦ２を生じる。すなわち、発光層１４０の上方および下方においてキャリアが広がる。このため、発光領域ＥＥＧが横方向に広がり、実効的な電流注入密度が低下して発光効率が低下する。
【００３６】
これに対して、第１の実施形態では、第１コンタクト層３２が除去された領域は、窓層３４と透明導電膜２６とのコンタクト抵抗が高いため、正孔は注入されない。第１コンタクト層３２と透明導電膜２６とのコンタクト抵抗は低いので、正孔が注入されキャリアフローＦ１を生じる。この場合、選択的に設けられた第１コンタクト層３２により、正孔は横方向へ広がりにくく、発光領域ＥＲが横方向へ広がることが抑制できる。また、第１コンタクト層３２、窓層３４、及び第１クラッド層３８からなりｐ形である第１導電形層３０の厚さの総和は、第２クラッド層５２、電流拡散層５４、および第２コンタクト層５６からなりｎ形である第２導電形層５０の厚さの総和よりも小さく、かつ正孔の有効質量が電子の有効質量よりも大きいことから、正孔は第１電極２０から注入され直上の発光層４０に向かって進む。
【００３７】
他方、電流拡散層５４が低抵抗でありかつ電子の有効質量が小さいことにより、電子は第２電極６０から注入されキャリアフローＦ２を生じ、横方向に広がりつつ発光層４０へ流れ込む。この結果、破線で示す発光領域ＥＲは細線部６０ｂの直下へは広がらない。このため、発光層４０における電流注入密度が実効的に高められ、高い発光効率とすることができる。発明者らは、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の輝度が、比較例の半導体発光素子の輝度よりも２０％以上高くすることができることを確認した。この場合、順方向電圧の上昇も抑制され、かつ素子の信頼性を確保できることも確認された。
【００３８】
また、第１の実施形態において、発光層４０から下方に向かう光Ｇｄは、第１クラッド層３８、組成傾斜層３６、窓層３４、透明導電膜２６を通過し、反射金属層２５により反射され上方へ向かう反射光Ｇｒとなる。反射光Ｇｒと、発光層４０から上方へ向かう光と、が出力光Ｇｏとして、光取り出し面５８ａから放出される。もし、透明導電膜２６が厚すぎると、下方に向かう光Ｇｄと、上方へ向かう反射光Ｇｒと、が干渉し、輝度が低下することがある。他方、透明導電膜２６が薄すぎると、第１コンタクト層３２と透明導電膜２６とのコンタクト抵抗が上昇し、順方向電圧が上昇することがある。本発明者らの実験によれば、透明導電膜２６の厚さを０．０４〜０．０９μｍの範囲とすると、輝度を高く保ちつつ、順方向電圧を低く保つことができることが判明した。
【００３９】
また、第１コンタクト層３２が薄すぎると、透明導電膜２６と第１コンタクト層３２とのコンタクト抵抗が上昇し、順方向電圧の増加を生じる。よって、順方向電圧の増加を生じさせないためには、第１コンタクト層３２の厚さを０．０３μｍ以上とする必要がある。一方、ＧａＰからなる第１コンタクト層３２の不純物濃度は高いので、バンドギャップ内に不純物準位が形成され、発光層４０からの光を吸収することがある。すなわち、第１コンタクト層３２が厚が０．２μｍ、以上の場合には、輝度低下を生じやすい。さらに、第１コンタクト層３２をエッチング除去する場合、第１コンタクト層３２が厚すぎるとエッチング時間が長くなり、除去された部分の深さの面内分布が大きくなるなどの問題を生じる。このため、第１コンタクト層３２の厚さは、０．０３〜０．２μｍの範囲であることが好ましい。
【００４０】
また、窓層３４が厚すぎると、窓層３４内でも電流が横方向に広がり、発光領域ＥＲが細線部６０ｂの下方まで広がり、輝度の低下を生じる。他方、窓層３４が薄すぎると形状の制御が不十分となる。すなわち、第１コンタクト層３２が、例えば、０．１μｍの場合、電流を注入しない領域の第１コンタクト層を除去するとき、１００％のオーバーエッチング条件でエッチングを行うと、エッチング深さが０．２μｍとなる。窓層３４の厚さが０．２μｍ以上でないと、組成傾斜層３６や第１クラッド層３８までエッチングが進むことがある。このため、窓層３４の厚さは、０．２〜０．６μｍの範囲とすることが好ましい。
【００４１】
図５は、第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
第２の実施形態では、窓層３４の表面のうち、第１コンタクト層３２が設けられていない領域に、ＳｉＯ２などの絶縁膜９０を設ける。絶縁膜９０には開口部９０ａが設けられ、透明導電膜２６は、開口部９０ａに露出した第１コンタクト層３２と、開口部９０ａの非形成領域となる絶縁膜９０と、を覆うように設けられる。さらに透明導電膜２６の上に第１電極２０が設けられる。正孔は、電流ブロック層９０でブロックされるので、第１コンタクト層３２を通って窓層３４へ注入される。
【００４２】
第２の実施形態においても、第１導電形層３０の厚さは、第２導電形層５０の厚さよりも小さく、正孔の有効質量は電子の有効質量よりも重いので、正孔は第１導電形層３０内で横方向へ広がらないで第１コンタクト層３２の直上の発光層４０へ注入される。このため、図５のように、発光領域は第１コンタクト層３２の直上となり、電流注入密度を高く保つことができる。第２の実施形態にかかる半導体発光素子は、比較例に対して、輝度を約２０％以上高めることができる。
【００４３】
絶縁膜９０として、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ（Ｓｉ３Ｎ４を含む）を用いると、発光層４０からの光の吸収を抑制できる。また、窓層３４と、透明導電膜２６と、の間の電気的な絶縁をより確実にすることができる。動作電流密度が高く、例えば１Ａよりも高い高電流駆動の出力ＬＥＤの場合、このように絶縁膜を設けることが好ましい。
【００４４】
図６（ａ）は第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図６（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
半導体層５８は、第２コンタクト層５６、電流拡散層５４、第２クラッド層５２、発光層４０、第１クラッド層３８、組成傾斜層３６、窓層３４、第１コンタクト層３２、がこの順に積層される。それぞれの層の材質、不純物濃度、厚さ、は、図３（ａ）に表す第１の実施形態と同じものとする。
【００４５】
第１コンタクト層３２は、図１（ａ）および（ｂ）のように上方からみて、細線部６０ｂの方向に分散して設けられている。他方、電流拡散層５４の上に設けられ、ＧａＡｓなどからなる第２コンタクト層５６も、細線部６０ｂに沿って分散して設けられている。細線部６０ｂは、分散して設けられた第２コンタクト層５６の上および電流拡散層５４の上に延在する。
【００４６】
細線部６０ｂと第２コンタクト層５６とのコンタクト抵抗は、細線部６０ｂとｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐの電流拡散層５４とのコンタクト抵抗よりも低い。このため、図６（ｂ）のように、電子は、細線部６０ｂから第２コンタクト層５６へ注入され、第２コンタクト層５６を介して電流拡散層５４へ流れ込む。電子は、電流拡散層５４を横方向へ広がりつつ発光層４０へ向かって進むキャリアフローＦ２を生じる。他方、正孔は第１コンタクト層３２から直上の発光層４０へ向かって進む。この場合、第２コンタクト層５６が設けられた領域は、第１コンタクト層３２の上の発光領域ＥＲまでの距離が長くなるので、第２コンタクト層５６での光吸収が低減され、光取り出し効率をさらに高めることができる。なお、第２コンタクト層５６のみを分散し、第１コンタクト層３２が連続して設けられていても光吸収を低減することができる。
【００４７】
第１〜第３の実施形態およびこれらに付随した変形例にかかる半導体発光素子は、発光層を挟んで設けられた第１および第２のコンタクト層のうち、少なくともいずれかを除去し、第１コンタクト層３２と第２コンタクト層５６を、上方から見て重ならないように設ける。また、上方からみて、発光強度の高い領域と細線電極６０ｂとが重ならないように設ける。このため、発光層への電流注入密度および発光効率を高め、光取り出し効率を高めることができる。この様にして得られた高出力ＬＥＤは、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いられる。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 支持基板、２０ 第１電極、２５ 反射金属層、２６ 透明導電膜、３２ 第１コンタクト層、３４ 窓層、４０ 発光層、５６ 第２コンタクト層、５８ 半導体層、６０ 第２電極、６０ａ パッド部、６０ｂ 細線部、９０ 絶縁層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、
前記支持基板の上に設けられた第１電極と、
前記第１電極の上に設けられ、前記第１電極の側から、第１コンタクト層、前記第１コンタクト層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する窓層、第１クラッド層、をこの順序に少なくとも有する第１導電形層と、
前記第１導電形層の上に設けられた発光層と、
前記発光層の上に設けられ、前記発光層の側から、第２クラッド層、電流拡散層、第２コンタクト層、をこの順序に少なくとも有する第２導電形層と、
前記第２導電形層の上に設けられ、前記第２コンタクト層の上に延在する細線部と、前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられ前記細線部と電気的に接続されたパッド部と、を有する第２電極と、
を備え、
前記第１コンタクト層および前記窓層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりもそれぞれ大きく、
前記第１コンタクト層は、前記窓層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、
上方からみて、前記第１コンタクト層と、前記第２コンタクト層と、は、重ならないように設けられたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１コンタクト層は、上方からみて、前記細線部の延在する方向に分散した領域を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２コンタクト層は、上方からみて、前記細線部の延在する方向に分散して設けられたことを特徴とした請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層は、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．５）、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のいずれかを含み、
前記第１コンタクト層および前記窓層は、ＧａＰをそれぞれ含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２コンタクト層は、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．５）、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のいずれかを含むことを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記発光層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含み、
前記窓層および前記第１コンタクト層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記窓層と前記第１電極との間の前記第１コンタクト層が設けられていない領域に前記窓層および前記第１電極に接するように設けられた絶縁層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１導電形層の厚さは、前記第２導電形層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１電極は、前記第１コンタクト層と接する錫ドープ酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫のいずれかを含む透明導電膜と、前記透明導電膜と前記支持基板との間に設けられ、前記発光層からの光を反射可能な反射金属層と、を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記透明導電膜の厚さは、０．０４μｍ以上、０．０９μｍ以下、であることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第１電極と接する側の前記第１導電形層の面は、選択的に設けられた前記第１コンタクト層からなる凸部と、前記凸部のまわりの底面となる前記窓層と、を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１】
支持基板と、
前記支持基板の上に設けられた第１電極と、
前記第１電極の上に設けられ、前記第１電極の側から、第１コンタクト層、前記第１コンタクト層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する窓層、第１クラッド層、をこの順序に少なくとも有する第１導電形層と、
前記第１導電形層の上に設けられた発光層と、
前記発光層の上に設けられ、前記発光層の側から、第２クラッド層、電流拡散層、第２コンタクト層、をこの順序に少なくとも有する第２導電形層と、
前記第２導電形層の上に設けられ、前記第２コンタクト層の上に延在する細線部と、前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられ前記細線部と電気的に接続されたパッド部と、を有する第２電極と、
を備え、
前記第１コンタクト層および前記窓層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりもそれぞれ大きく、
前記第１コンタクト層は、前記窓層と前記第１電極との間に選択的に設けられ、
上方からみて、前記第１コンタクト層と、前記第２コンタクト層と、は、重ならないように設けられたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１コンタクト層は、上方からみて、前記細線部の延在する方向に分散した領域を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２コンタクト層は、上方からみて、前記細線部の延在する方向に分散して設けられたことを特徴とした請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層は、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．５）、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のいずれかを含み、
前記第１コンタクト層および前記窓層は、ＧａＰをそれぞれ含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２コンタクト層は、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．５）、ＩｎｓＧａ１−ｓＡｓｔＰ１−ｔ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）のいずれかを含むことを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記発光層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含み、
前記窓層および前記第１コンタクト層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記窓層と前記第１電極との間の前記第１コンタクト層が設けられていない領域に前記窓層および前記第１電極に接するように設けられた絶縁層をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１導電形層の厚さは、前記第２導電形層の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１電極は、前記第１コンタクト層と接する錫ドープ酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化錫のいずれかを含む透明導電膜と、前記透明導電膜と前記支持基板との間に設けられ、前記発光層からの光を反射可能な反射金属層と、を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記透明導電膜の厚さは、０．０４μｍ以上、０．０９μｍ以下、であることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第１電極と接する側の前記第１導電形層の面は、選択的に設けられた前記第１コンタクト層からなる凸部と、前記凸部のまわりの底面となる前記窓層と、を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２３１０１４（Ｐ２０１２−２３１０１４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９８３７４（Ｐ２０１１−９８３７４）
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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