半導体発光素子
【課題】光取り出し効率および輝度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、III-V族化合物半導体からなる発光層と、反射金属層を有する第１電極と、開口部を有する絶縁層と、第１導電形層と、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、前記第１電極の上であり前記発光層の下に設けられ、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII-V族化合物半導体からなる。第１導電形層は、第１コンタクト層、組成傾斜層、第１クラッド層を含む。前記第２導電形層は、前記発光層と前記第２電極との間に設けられ、電流拡散層および第２コンタクト層を有する。前記第２電極は、パッド部と、前記パッド部から外方に向かい前記第２コンタクト層の上に延在する細線部、とを有する。上方からみて、前記絶縁膜の前記開口部と、前記第２コンタクト層とは、重ならない。
【解決手段】半導体発光素子は、III-V族化合物半導体からなる発光層と、反射金属層を有する第１電極と、開口部を有する絶縁層と、第１導電形層と、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、前記第１電極の上であり前記発光層の下に設けられ、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII-V族化合物半導体からなる。第１導電形層は、第１コンタクト層、組成傾斜層、第１クラッド層を含む。前記第２導電形層は、前記発光層と前記第２電極との間に設けられ、電流拡散層および第２コンタクト層を有する。前記第２電極は、パッド部と、前記パッド部から外方に向かい前記第２コンタクト層の上に延在する細線部、とを有する。上方からみて、前記絶縁膜の前記開口部と、前記第２コンタクト層とは、重ならない。
【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、発光層と反射金属層との距離が長くなると、反射金属層による反射光が横方向に広がり、上方から取り出す光束が低下する問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２９２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光取り出し効率および輝度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】
実施形態にかかる半導体発光素子は、III-V族化合物半導体からなる発光層と、反射金属層を有する第１電極と、前記第１電極の上に設けられ開口部を有する絶縁層と、第１導電形層と、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、前記絶縁層および前記開口部に露出した前記第１電極の上であり前記発光層の下に設けられ、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII-V族化合物半導体からなる。また、第１導電形層は、第１コンタクト層、組成傾斜層、および第１クラッド層、を少なくとも含む。前記第２導電形層は、前記発光層と前記第２電極との間に設けられ、電流拡散層および第２コンタクト層を有する。前記第２電極は、前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられたパッド部と、前記パッド部から外方に向かい前記第２コンタクト層の上に延在する細線部、とを有する。上方からみて、前記絶縁膜の前記開口部と、前記第２コンタクト層と、は、重ならない。また、前記第１コンタクト層の厚さは、前記電流拡散層の厚さよりも小さい。
【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、図１（ｃ）は領域ＥＮを拡大した模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）〜（ｅ）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２（ａ）は半導体層の模式図、図２（ｂ）は絶縁層をパターニングしたウェーハの模式図、図２（ｃ）はＩＴＯを形成したウェーハの模式図、図２（ｄ）はウェーハ接着の模式図、図２（ｅ）は分割した素子の模式図、である。
【図３】第１の実施形態にかかる半導体発光素子のバンドギャップエネルギー及び屈折率を示すグラフ図である。
【図４】第１の実施形態にかかる半導体発光素子の作用を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。
【図６】図６（ａ）は比較例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。
【図７】比較例のバンドギャップエネルギーおよび屈折率の分布を示すグラフ図である。
【図８】図８（ａ）はエスケープコーンの模式図、図８（ｂ）は比較例の作用を説明する模式図、である。
【図９】図９（ａ）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断面図、図９（ｂ）はＥＮ部を部分拡大した模式断面図、図９（ｃ）はバンドギャップエネルギーおよび屈折率を示すグラフ図、である。
【図１０】図１０（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１０（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図１１】図１１（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１１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図１２】ランバート反射構造を説明する模式図である。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｆ）は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法のうち、結晶成長基板上に第２接合電極を形成するまでの工程断面図である。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法のうち、ウェーハ接着プロセス以降を示す工程断面図である。
【図１５】図１５（ａ）は本実施形態にかかる半導体発光素子を用いた発光装置の模式断面図、図１５（ｂ）は領域Ｂを部分拡大した模式断面図、図１５（ｃ）は輝度変動率のグラフ図、である。
【図１６】第３の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。
【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、図１（ｃ）は領域ＥＮを拡大した模式断面図、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の上に設けられた第１導電形層３７と、第１導電形層３７の上に設けられた発光層４０と、発光層４０の上に設けられた第２導電形層５０と、第２導電形層５０の上に設けられた第２電極６０と、を有する。
【００１０】
発光層４０は、単層または多層のIII-V族化合物半導体から形成される。発光層４０が、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなるものとすると、III族元素はＩｎおよびＡｌであり、V族元素はPであり、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）からなるものとすると、III族元素はＡｌおよびＧａであり、V族元素はＡｓであり、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）からなるものとすると、III族元素はＩｎおよびＧａであり、Ｖ族元素は、ＡｓおよびＰであり、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、ＩｎｕＧａｖＡｌ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなるものとすると、III族元素は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌであり、Ｖ族元素はＮであり、紫外〜緑色の波長範囲の光を放出できる。
【００１１】
第１導電形層３７は、第１コンタクト層３２、組成傾斜層３１、第１クラッド層２９、および光ガイド層２９、を含む。第１導電形層３７のバンドギャップエネルギーは、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも大きい。このようにすると、放出光は第１導電形層３７による吸収が抑制され、高い光出力とすることができる。第１導電形層３７また、第１導電形層３７は、第１導電形のＩｎｓ（Ｇａ１−ｔＡｌｔ）１−ｓＰ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）からなるものとする。
【００１２】
また、第１コンタクト層３２は、発光層４０の平均屈折率よりも低い屈折率を有する III-V族化合物半導体から形成される。なお、本明細書において、ＭＱＷ構造の発光層４０の平均屈折率とは、放出光の波長におけるバルク半導体の屈折率を意味し、井戸層の屈折率と、障壁層の屈折率と、の平均値と定義する。図１（ｃ）に表す領域ＥＮの断面図のように、 第１コンタクト層３２は、たとえばＧａＰからなり第１導電形を有し、第１電極２０の透明導電膜２６と接する。組成傾斜層３１は、III-V族化合物半導体からなり、たとえば、第１導電形のＩｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）から形成されてもよい。この組成傾斜層は、第１コンタクト層３２に向かってＩｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙが低下する。すなわち、Ｇａ組成比が高まり組成がＧａＰに近づく。
【００１３】
上方からみて、第２コンタクト層５６は、第１コンタクト層３２と透明導電膜２６とのコンタクト面（矩形状の破線）とは重ならないように設けられる。すなわち、電流は、絶縁層９０に設けられた開口部９０ａ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、絶縁層９０の開口部９０ａの端部と、の最短距離は、上方からみて、例えば５μｍとすることができる。
【００１４】
第１の実施形態では、第２電極６０の細線部６０ｂから注入されたキャリアは、第２電流拡散層５４により横方向に広げられつつ発光層４０へと流れ込むキャリアフローＦ２を生じる。他方、第１電極２０から注入されたキャリアは、横方向への広がりが抑制され発光層４０へ流れ込むキャリアフローＦ１となる。すなわち、第１電極２０と、発光層４０と、の間に、不純物濃度が高い電流拡散層を設けなくともよい。
【００１５】
また、上方からみて、第１コンタクト層３２は、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んでもよい。このようにすると、細線部６０ｂの延在する方向に沿った第１コンタクト層３２内でキャリアの広がりを低減できる。このため、電流注入効率を実効的にさらに高めることができる。発光層４０内において、発光再結合はキャリア密度の略２乗に比例して増加し、非発光再結合はキャリア密度に略比例して増加する。このため、全体としては、電流のキャリア密度が高いほど正味の発光再結合の割合が増加し、高い発光効率とすることが容易となる。
【００１６】
なお、図１（ａ）において、絶縁層９０の開口部９０ａ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。
【００１７】
図２（ａ）〜（ｅ）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２（ａ）は半導体層の模式図、図２（ｂ）は絶縁層をパターニングしたウェーハの模式図、図２（ｃ）は透明導電膜を形成したウェーハの模式図、図２（ｄ）はウェーハ接着の模式図、図２（ｅ）は分割した半導体発光素子の模式図、である。
【００１８】
ＧａＡｓからなる結晶成長基板７０の上に、第２導電形層５０、発光層４０、第１導電形層３７がこの順序に積層される（図２（ａ））。第２導電形層５０は、ｎ形ＧａＡｓの第２コンタクト層５６（キャリア濃度：１×１０１８ｃｍ−３）、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐの第２電流拡散層５４（キャリア濃度：４×１０１７ｃｍ−３）、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第２クラッド層５２（キャリア濃度：３×１０１７ｃｍ−３）、ｎ形ＩｎＧａＡｌＰの光ガイド層５１、を有する。
【００１９】
発光層４０は、例えば、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐからなり、４ｎｍの厚さの井戸層を２０と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐからなり、７ｎｍの厚さの障壁層を２１と、を有するＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とする。なお、半導体層の構造は、これらに限定されない。このような薄膜積層体からなる半導体層は、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。
【００２０】
第１導電形層３７は、発光層４０の側から、ｐ形ＩｎＧａＡｌＰの光ガイド層２８、ｐ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第１クラッド層２９（キャリア濃度：３×１０１７ｃｍ−３）、ｐ形Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる組成傾斜層（キャリア濃度：１×１０１９ｃｍ−３）３１、およびｐ形ＧａＰからなる第１コンタクト層（キャリア濃度：１×１０１９ｃｍ−３）３２、を有する。なお、光ガイド層２８は、設けない場合もある。
【００２１】
結晶成長を行う場合、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐなどからなる第１クラッド層２９、あるいはＩｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐなどの最下層の表面に、発光波長よりも短いバンドギャップ波長λｇを有し、発光層４０の平均屈折率と同じかまたは低い屈折率を有するＧａＰ層を設ける場合、格子不整合が大きいので結晶欠陥を生じやすい。しかしながら、最下層の表面とＧａＰとの間に、III族元素の組成比を積層方向に変化させ、最下層の組成から第１コンタクト層の組成まで変化する組成傾斜層３１を設けると、結晶欠陥を低減できる。すなわち、ｐ形Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなり、Ｉｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙがＧａＰ層に向かって低下する組成傾斜層３１を設けると結晶欠陥を低減できる。組成傾斜層３１は、Ｇａ組成比が徐々に高まり組成がＧａＰに徐々に近づく。混晶元素の組成比を連続的に変化させることは、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。例えば、Ｉｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙは、直線状、２次関数状、階段状などと変化することが容易である。原料ガスの供給を自動制御することにより、第１コンタクト層３２に向かって、Ｉｎ組成比ｘやＡｌ組成比ｙを精度良く低下させることができる。
【００２２】
発明者らの実験によれば、組成傾斜層３１の厚さＴＧを０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ以上、０．０５μｍ以下とすることにより第１コンタクト層３２の結晶性が改善され、その厚さを０．０２μｍ以上、１μｍ以下、とでき、かつ透明導電膜２６とのコンタクト抵抗を低く保てることが判明した。すなわち、格子を整合させるために、厚いＩｎＧａＡｌＰ層を設ける必要がない。
【００２３】
図２（ｂ）のように、絶縁層９０が形成され、さらに絶縁層９０に開口部９０ａが形成される。続いて、図２（ｃ）のように、開口部９０ａに露出した第１コンタクト層３２および絶縁層９０の上に、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide)、酸化錫、酸化亜鉛などの透明導電膜２６を形成する。
【００２４】
Ａｕ、Ａｇ、ＡｇにＩｎ、Ｃｕ、Ｃｒなどを添加したＡｇ合金、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などのうちの少なくともいずれかを含むバリア金属層２４、ＡｕまたはＡｕＩｎなどを含む第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、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。
【００２５】
続いて、図２（ｄ）のように、結晶成長基板７０の上に形成された半導体層の側の第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。Ｓｉ基板の線膨張係数は４×１０−６／℃であり、ＧａＡｓ基板の線膨張係数６×１０−６／℃と近い。このため、ウェーハ接着プロセスにおける応力が低減される。また、金属間の接合温度は、半導体材料間の接合温度よりも低くできるので、ウェーハの割れや欠けがさらに抑制できる。また、Ｓｉ基板を用いると、チップへの分割プロセスが容易となる。
【００２６】
続いて、結晶成長基板７０を除去し、細線部６０ｂとする領域にのみ第２コンタクト層５６を残す。図２（ｅ）のように、パターニングされた第２コンタクト層５６の領域に細線部６０ｂが延在し、細線部を接続するパッド部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、第２電流拡散層５４の側から、ＡｕＧｅ／Ｔｉ／（Ｎｉ）／Ｐｔ／Ａｕなどを積層したものとすることができる。
【００２７】
さらに、第２電極６０が形成されていない半導体層５８の表面には、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)法やウェットエッチング法を用いて微小凹凸５４ａを設ける。表面が平坦な第２電流拡散層と、空気層または封止樹脂層（屈折率：約１．５）と、の界面では全反射が生じる。このため、裏面反射を考慮しない場合、光取り出し効率が十数％以下となる。また、反射金属による裏面反射を考慮しても、光取り出し効率が二十数％以下である。しかし、表面に微小凹凸５４ａを設けると、光取り出し効率を高めることができる。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。
【００２８】
透明導電膜を間に介さずに、例えばＡｕと第１コンタクト層３２とを接触させることもできる。しかし、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とがある。この結果、輝度低下を生じる。
【００２９】
これに対して、第１コンタクト層３２に、１×１０１９ｃｍ−３のＣ（炭素）をドープすると、透明導電膜２６との間で、１〜２×１０−４Ω・ｃｍ２と低いコンタクト抵抗を得ることができる。この場合、ＩＴＯなどの透明導電膜と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少ない。
【００３０】
なお、反射金属層２５として、Ａｇを用いることもできる。発光波長が０．６μｍ以下の場合、Ａｕの光反射率はＡｇの光反射率よりも低下が大きいので、Ａｇを用いる方が高輝度とすることができる。また、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。さらに、図１（ｂ）のように、反射金属層２５のパターニングを行い、素子の側面ＯＥにＡｇやＡｇ合金が露出しない構造とすると、ガスや水分の侵入が抑制され、硫化による反射率の低下が低減できる。
【００３１】
図３は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子のバンドギャップエネルギー及び屈折率を示すグラフ図である。
実線は屈折率分布、破線はバンドギャップエネルギー（ｅＶ）分布、を示す。第２電流拡散層５４は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ（波長０．６μｍで屈折率が約３．２）とする。第２クラッド層５２は、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐ（波長０．６μｍにおいて屈折率が約３．１）とする。
【００３２】
ＧａＰからなる第１コンタクト層３２のバンドギャップエネルギーは、約２．２６ｅＶであり、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも高く、約０．５５μｍ以上の波長範囲の光を吸収せずに透過する。ＧａＰからなる第１コンタクト層３２の屈折率は、０．６μｍの波長において約３．４とほぼ等しい。Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる組成傾斜層３１の屈折率は組成変化とともに変化し、ＧａＰの屈折率に近づく。
【００３３】
図４は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の作用を示す模式図である。
発光層４０からの光は、上方、側方、および下方へ向かって放出される。下方に向かう光のうち、入射角が臨界角より大きい光は屈折率が高い側から低い側に変化する界面で全反射され上方または側方へ向かう。他方、入射角が臨界角よりも小さい光は、光ガイド層２８、第１クラッド層２９、第１コンタクト層３２、透明導電膜２６を通り、反射金属層２５により上方および側方に向かって反射される。
【００３４】
本実施形態では、組成傾斜層３１の厚さＴＧおよび第１コンタクト層３２の厚さＴＣを薄くできるので、横方向への広がりＤＬが低減できる。第１コンタクト層３２の厚さＴＣを、第２電流拡散層５４の厚さＴＳよりも小さくすると、細線部６０ｂからのキャリアは、第２電流拡散層５４内で横方向かつ外側に広がりつつ発光層４０へ注入される。他方、第１電極２０からのキャリアは、発光層４０までの距離が短いために、横方向への広がりが抑制されつつ発光層４０へ注入される。このようにして、上方へ向かう光Ｇ１を増加させ、光取り出し効率および輝度を高めることができる。
【００３５】
透明導電膜２６をＩＴＯ膜とすると、屈折率Ｎｉｔｏは０．６μｍの波長で約１．７である。すなわち、透明導電膜２６、第１コンタクト層（屈折率Ｎｃｏ：３．４）３２、第１クラッド層３６ｂ（屈折率Ｎｃｌ：３．１）までの領域で、屈折率が上方に向かって階段状に高くなるので、全反射が抑制される。
【００３６】
もし、組成傾斜層３１を薄くすると、組成傾斜層３１を通過する光は波動性を強める。このため、光路は、スネルの法則だけにより決まらなくなる。すなわち、媒質内波長λｇ（＝放出光波長／媒質の屈折率）よりも厚さが小さい層は、臨界角よりも大きな角度で界面へ入射した光であっても全反射が低減され、透過率が高まる。例えば、放出光の波長を０．６μｍとし、ＧａＰの屈折率を３．４とすると、媒質内波長λｇは、０．２μｍとなる。組成傾斜層３１の厚さＴＧの０．０１〜０．０５μｍは、媒質内波長λｇの０．０５〜０．２５の長さに対応する。すなわち、反射光は、組成傾斜層３１を透過することが容易となる。
【００３７】
図５は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。
縦軸は５０ｍＡの駆動電流における光束（ｌｍ：ルーメン）、横軸は第１コンタクト層の厚さＴＣ（μｍ）、である。なお、発光素子は、図３に示すＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるものとする。組成傾斜層３１の厚さＴＧは、０．０１から０．１μｍの範囲とする。また、第２電流拡散層５４の厚さは、２．５μｍとする。
【００３８】
第１コンタクト層３２の厚さＴＣが０．０２μｍの場合、光束は９ルーメン（ｌｍ）であった。０．０２μｍよりも薄い第１コンタクト層３２では、その厚さＴＣが薄くなるに従い光束が低下し、例えば０．０１μｍでは光束は７ルーメン（ｌｍ）であった。厚さＴＣが薄くなるに従い順方向電圧が指数関数的に増加するので、厚さＴＣは０．０２μｍ以上であることが好ましい。また、第１コンタクト層３２の厚さＴＣが０．０５μｍで、５０ｍＡの駆動電流における光束は約９．６ルーメン（ｌｍ）となり最大であった。また、厚さＴＣが第２電流拡散層５４の厚さＴＳと同じ２．５μｍにおいて光束は５ルーメン（ｌｍ）と低下し、それよりも厚いとさらに急激に低下した。すなわち、第１コンタクト層３２の厚さＴＣを、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下とすると、発光層４０と、反射金属層２５と、の間の側方への光の広がりＤＬが低減され、上方で取り出し可能な光束を高め、高輝度とすることができることが判明した。
【００３９】
図６（ａ）は比較例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。
第２コンタクト層１５６は、ｎ形ＧａＡｓとする。第２電流拡散層１５４は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐとする。第２クラッド層１５２は、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐとする。光ガイド層１５１は、ｎ形ＩｎＧａＡｌＰとする。第２電流拡散層１５４と、第２クラッド層１５２と、光ガイド層１５１と、のそれぞれの厚さの和は、３．２μｍとする。
【００４０】
発光層１４０は、例えば、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５（０≦ｘ≦１）Ｐからなる井戸層と、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）０．５Ｐ（ｘ＜ｙ、０≦ｙ≦１）からなる障壁層と、を複数積層したＭＱＷ構造とすることができる。
【００４１】
光ガイド層１３６は、ｐ形ＩｎＧａＡｌＰとする。第１クラッド層１３５は、ｐ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐとする。第１電流拡散層１３４は、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ層（厚さ：０．５μｍ）１３４ａと、ｐ形ＧａＰ層（厚さ：１．５μｍ）１３４ｂと、を含む。また、第１コンタクト層（厚さ：０．１μｍ）１３２は、ｐ形ＧａＰ層とする。この場合、第１電流拡散層１３４ａと、１３４ｂと、第１コンタクト層１３２と、のそれぞれの厚さの和ＴＣＣを２．１μｍと大きくする。このようにすると、電流を発光層１４０の面内に広げるとともに、ＩＴＯ膜１２６とのコンタクト抵抗を低減することができる。
【００４２】
比較例では、半導体層１５８と、第１電極１２０、との間に、絶縁層１９０からなる電流ブロック層が設けられている。開口部１９０ａに露出した第１コンタクト層１３２および絶縁層１９０を覆うように透明導電膜１２６、反射金属層１２５、バリア金属層１２４、第２接合金属１２３、が設けられる。
【００４３】
図７は、比較例にかかる半導体発光素子のバンドギャップエネルギーおよび屈折率を示すグラフ図である。
実線は屈折率分布、破線はバンドギャップエネルギー（ｅＶ）分布、を示す。発光層１４０のバンドギャップエネルギーは、ＧａＰのバンドギャップエネルギーである約２．２６ｅＶよりも低い。また、ＧａＰの屈折率は、０．６μｍの波長において約３．４である。
【００４４】
図８（ａ）はエスケープコーンの模式図、図８（ｂ）は比較例の作用を説明する模式図、である。
界面Ｓの上方が屈折率がｎ１、界面Ｓの下方が屈折率がｎ２（ｎ１＞ｎ２）、であるとする。上方からの入射光Ｌｉｎの入射角ΦがΘｃよりも大きいと、界面Ｓで全反射を生じ反射光Ｌｏは下方に出射できない。他方、入射光Ｌｉｎの入射角ΦがΘｃよりも小さいと光は界面Ｓの下方に透過する。すなわち、界面Ｓと直交する軸に対して臨界角Θｃをなす円錐の内部へ入射した光は透過できる。
【００４５】
図８（ｂ）において、下方に向かう光Ｇ１０は、反射金属層１２５により反射され光取り出し面から出射する。光Ｇ１０よりも大きな入射角の光Ｇ１１は、厚さＴＣＣが、例えば２．１μｍなどと大きいので、側方への広がりＤＬＬが大きくなる。このため、例えば、外方へ向かう光は素子側面から出射しやすくなり上方での光取り出し効率が低下する。他方、内方に向かう光はパッド部に遮光され、上方での光取り出し効率が低下する。
【００４６】
また、反射金属層１２５による反射光Ｇ１３は、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ層１３４ａと、ｐ形ＧａＰ層１３４ｂと、の界面への入射角が臨界角である７０度よりも大きいと全反射を生じ、光Ｇ１３は再び下方に向かうので、上方での光取り出し効率が低下する。
【００４７】
第１電流拡散層１３４を厚くすると、第１電極１２０から注入されたキャリアが内側に向かって広がる。この結果、細線部１６０ｂから注入され外側に向かって広がったキャリアとともに、発光領域ＥＥＲを広げ過ぎ、電流注入密度が実効的に低下するので、光取り出し効率が十分には高まらない。
【００４８】
これに対して、第１の実施形態では、組成傾斜層３１の厚さＴＧおよび第１コンタクト層３２の厚さＴＣを小さくし、発光層４０から反射金属層２５へ向かう光、および反射光が側方に広がることを抑制できる。このため、上方での光取り出し効率がさらに高められる。
【００４９】
図９（ａ）は第一実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の模式断面図、図９（ｂ）はＥＮ部を部分拡大した模式断面図、図９（ｃ）はバンドギャップエネルギーおよび屈折率を示すグラフ図、である。
第１導電形層３７は、第１電流拡散層３０を有してもよい。例えば、組成傾斜層３１と、第１クラッド層２９と、の間に、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐなどからなる第１電流拡散層３０を設けることができる。この場合、発光層４０と反射金属層２５との間で光の横方向への広がりを抑制するように、第１電流拡散層３０の厚さは第１コンタクト層３２の厚さＴＣよりも小さいことが好ましい。組成傾斜層３１の組成は、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐから、ＧａＰへ近づくように変化させればよい。
【００５０】
図１０（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１０（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
第２の実施形態は、窒化物系材料からなる半導体発光素子とする。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の上に設けられた第１導電形層３７と、第１導電形層３７の上に設けられた発光層９４と、発光層４０の上に設けられた第２導電形層５０と、第２導電形層５０の上に設けられた第２電極６０と、を有する。
【００５１】
第１導電形層３７は、第１電極２０の側から、ｐ形ＧａＮからなる第１コンタクト層９１、ｐ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第１クラッド層９２、およびｐ形の第１組成傾斜層９３、をこの順序で有する。また、第２導電形層５０は、発光層９４を挟んで、発光層９４の側から、ｎ形第２組成傾斜層９５、ｎ形の第２組成傾斜層９５、ｎ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２クラッド層９６、ｎ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる電流拡散層９７、およびｎ形ＧａＮからなる第２コンタクト層９８、をこの順序で有する。
【００５２】
発光層９４は、ＭＱＷ構造とし、ＩｎｕＧａｖＡｌ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなるものとする。例えば、ＭＱＷ構造において、井戸層はＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ、障壁層はＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、からなるものとすることができる。
【００５３】
また、第１組成傾斜層９３および第２組成傾斜層９５は、発光層９４の側からクラッド層に向かって、組成がＩｎ０．１Ｇａ０．９ＮからＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎへと徐々に変化することが好ましい。発明者らの実験によれば、第１組成傾斜層９３の厚さＴＧを０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下とすると、ＧａＮに対して、格子整合を容易にでき、順方向電圧を低減できることが判明した。また、第１コンタクト層９１の厚さＴＣを電流拡散層９７の厚さＴＳよりも小さくすると、第１電極２０による反射光が横方向へ広がることが抑制できるので好ましい。さらに、第１コンタクト層９１の厚さＴＣを、０．０２μｍ以上、１．０μｍ以上とすると、より好ましい。
【００５４】
図１１（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１１（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電極と、第１電極の上に設けられた第１導電形層３７と、第１導電形層３７の上に設けられた発光層４０と、発光層４０の上に設けられた第２導電形層５０と、第２導電形層５０の上に設けられた第２電極６０と、を有している。第１導電形層３７、発光層４０、および第２導電形層５０は、図９（ａ）〜（ｃ）に示した第１の実施形態の変形例と同じものとする。なお、第１電極は、支持基板１０の側から、第１接合電極２２、第２接合電極２３、Ａｕ膜２７、バリア金属層２４、反射金属層２５、および透明導電膜２６、をこの順序に有する。
【００５５】
第３の実施形態では、反射金属層２５が、ランバート反射構造を有している。すなわち、反射金属層２５の表面には、微小凹凸が設けられている。この微小凹凸は、規則的でも不規則的でもよいが、凹凸のピッチが発光層４０からの放出光の媒質内波長程度か、またはそれよりも長くすると光の拡散効果を高めることができるので好ましい。
【００５６】
図１１（ａ）および（ｂ）において、第１コンタクト層３２の表面に開口部９０ａを有する絶縁層９０が設けられている。発光層４０がＩｎＡｌＧａＰ系材料からなるものとし、その発光波長が６００ｎｍとする。また、凹凸の平均深さは、例えば５０〜２００ｎｍとする。ＡｇまたはＡｇ合金などからなる反射金属層２５の平均ピッチは、例えば３５０〜１２００ｎｍとする。発明者らの実験によれば、このような構造の発光素子の輝度は、ランバート反射構造が設けられない発光素子の輝度よりも１５％以上高いことが判明した。
【００５７】
図１２は、ランバート反射構造を説明する模式図である。
第１コンタクト層３２がＧａＰからなり、透明導電膜２６がＩＴＯからなるものとする。ＧａＰ（屈折率：約３．４）からＩＴＯ（屈折率：約１．７）へ入射する場合の臨界角である３０度よりも小さい入射角を有する光は、ＩＴＯに入射したのち、反射金属層２５により反射されたのち拡散する（ｇ１、ｇ２、ｇ３）。発光層４０が６００ｎｍの波長の光を放出し、凹凸の平均ピッチが７００ｎｍ、かつ平均深さが２０ｎｍである場合、照射された直線光が拡散光に変換される割合は、例えば４０％となる。また、変換率は、凹凸の平均深さが大きくなるのに応じて増加する。このため、輝度を高めることができる。
【００５８】
図１３（ａ）〜（ｆ）は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法のうち、結晶成長基板上に、第２接合電極を形成するまでの工程断面図である。
図１３（ａ）のように、ＧａＡｓなどからなる結晶成長基板７０の上に、第２導電形層５０、発光層４０、および第１導電形層３７がＭＯＣＶＤ法などを用いて形成される。
【００５９】
図１３（ｂ）のように、第１導電形層３７の表面に、ＳｉＯ２などからなる絶縁層９０を形成し、電流経路とすべき領域に開口部９０ａを選択的に設ける。さらに、図１３（ｃ）のように、開口部９０ａに露出した第１コンタクト層３２および開口部９０ａの周囲の絶縁層９０を覆うようにＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛などからなる透明導電膜２６を形成する。
【００６０】
図１３（ｄ）のように、透明導電膜２６の表面を、薬液処理、ＲＩＥ等を用いて、凹凸２６ａを形成する。この場合、凹凸２６ａの底部に第１コンタクト層３２が露出しないように、ＩＴＯの厚さと凹部の深さを選択する。もし、第１コンタクト層３２が露出すると、後に形成する反射金属層が、第１コンタクト層３２と、直接接触するので好ましくない。
【００６１】
他方、透明導電膜２６を厚くしすぎると、透明導電膜２６内で光吸収が増大し輝度が１０％程度低下することがある。このため、透明導電膜２６の厚さは、１００〜３００ｎｍの範囲、凹凸２６ａの平均深さは、５０〜２００ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００６２】
続いて、図１３（ｅ）のように、透明導電膜２６に形成された凹凸２６ａの上に、ＡｇやＡｇ合金などからなる反射金属層２５、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉのうちの少なくともいずれかを含むバリア金属層２４、を形成する。
【００６３】
図１３（ｆ）のように、バリア金属層２４をＡｕ膜２７などで覆う。さらに、Ａｕ膜２７を覆うように、ＡｕＩｎやＡｕなどからなる第２接合金属層２３を形成する。または、ダイシングライン領域において、透明導電膜２６、反射金属膜２５、バリア金属層２４を除去したのち、ウェーハ全面を覆うようにＡｕ膜２７および第２接合金属層２３をこの順序で形成してもよい。このようにすると、図１１（ｂ）のように、ＡｇやＡｇ合金が発光素子の側面に露出しないので、Ａｇの硫化やマイグレーションが抑制されるのでより好ましい。
【００６４】
図１４（ａ）〜（ｄ）は、第３実施形態の半導体発光素子の製造方法のうち、ウェーハ接着プロセス以降を示す工程断面図である。
図１４（ａ）のように、Ｓｉなどからなる支持基板１０に、ＡｕＩｎなどからなる第１接合金属層２２が形成される。支持基板１０と、結晶成長基板７０の側の積層体と、は、第１接合金属層２２と第２接合金属層２３とが重ね合わされ、かつ加熱されることによりウェーハ状態で接着される。もし、第２接合金属層２３の表面に凹凸２６ａが引き継がれた凹凸が残っていたとしても、ＡｕＩｎなどの半田材が溶融することにより、第１接合金属層２２との密着性を高く保つことができる。
【００６５】
図１４（ｂ）のように、結晶成長基板７０が除去される。もし、結晶成長基板７０を薬液処理法などで除去する場合、エッチングストップ層５９を設けてあるので、第２コンタクト層５６を確実に残すことができる。さらに、図１４（ｃ）のように、第２導電形層５０の表面に第２電極６０が形成される。また、第２電極６０の非形成領域となる第２導電形層５０の表面に凹凸５４ａが設けられてもよい。
【００６６】
続いて、図１４（ｄ）のように、凹凸５４ａの上に、シリコン酸化膜９２が形成される。さらに、支持基板１０の裏面に裏面電極６２が形成されて、半導体発光素子のウェーハが完成する。
【００６７】
図１５（ａ）は本実施形態にかかる半導体発光素子を用いた発光装置の模式断面図、図１５（ｂ）は領域Ｂを部分拡大した模式断面図、図１５（ｃ）は吸湿リフロー加速試験後の輝度変動率のグラフ図、である。
本実施形態にかかる半導体発光素子８４の表面のうち、少なくとも第２電極６０の非形成領域にはシリコン酸化膜９２を設けることができる。実装部材８０は、樹脂などの成形体８０ａ、リード端子８０ｂ、台座８０ｃ、などを有する。半導体発光素子８４は、導電性接着剤８６などを用いて、台座８０ｃの上に接着されている。
【００６８】
図１５（ｂ）のように、半導体発光素子８４の第２導電形層５０の表面のうち、第２電極６０の非形成領域には厚さがＴＰのシリコン酸化膜９２が設けられている。封止層８８は、エポキシやシリコーンなどの封止樹脂からなる。発明者らの実験によると、第２導電形層の表面にエポキシからなる封止層が直接に接すると、２６０℃における吸湿リフロー加速試験において、封止層と第２導電形層との間に収縮応力Ｓが作用し、封止層の剥離などを生じることがあった。
【００６９】
図１５（ｃ）は、シリコン酸化膜の厚さＴＰ（ｎｍ）に対する輝度変動率（％）の依存性を示すグラフ図である。シリコン酸化膜９２の厚さＴＰを２５〜４００ｎｍとすると、２６０℃の吸湿リフロー加速試験後の輝度変動率が５％以下に抑制できた。もし、剥離が発生すると、輝度変動率はさらに大きくなる。他方、１００ｎｍの厚さのＳｉＯＮ膜では、剥離を生じやすく、輝度変動率は約１２％と大きくなった。使用環境条件が厳しい車載用途などでは、第２導電形層５０の表面を厚さが２５〜４００ｎｍの範囲のシリコン酸化膜９２で覆うことが好ましい。なお、シリコン酸化膜９２は、封止層８８との間で水素結合を形成することなどにより互いの密着性を高めることができる。
【００７０】
図１６は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。
比較のため、図５に示した第１の実施形態（シリコン酸化膜無し）の光束依存性を○印で示す。第１の実施形態の半導体発光素子の表面にシリコン酸化膜９２を設けた場合の光束を■印で示す。また、第３の実施形態（シリコン酸化膜有り）の光束は、▲印で表す。
【００７１】
第２導電形層５０の表面の凹凸面５４ａにシリコン酸化膜９２を設けると、凹凸の急峻性が低減されるので光束が約５％低下する。しかし、反射金属層２５が凹凸面を有していれば、光束は、シリコン酸化膜無しとした第１の実施形態よりも約１０％増加する。すなわち、光取り出し面にシリコン酸化膜９２を設けた第３の実施形態では、信頼性を保ちつつ、高輝度とすることが容易となる。
【００７２】
第１〜第３の実施形態およびこれに付随した変形例にかかる半導体発光素子は、光取り出し効率および輝度を高めることが容易となり、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いることができる。
【００７３】
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】
【００７４】
１０ 支持基板、２０ 第１電極、２５ 反射金属層、２６ 透明導電膜、２６ａ 凹凸面、２９ 第１クラッド層、３１、９３ 組成傾斜層、３２、９１ 第１コンタクト層、３７ 第１導電形層、４０、９４ 発光層、５０ 第２導電形層、５２ 第２クラッド層、５４、９７ （第２）電流拡散層、５４ａ 凹凸面、５６、９８ 第２コンタクト層、６０ 第２電極、６０ａ パッド部、６０ｂ 細線部、９０ 絶縁層、９０ａ 開口部、９２ シリコン酸化膜
【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、発光層と反射金属層との距離が長くなると、反射金属層による反射光が横方向に広がり、上方から取り出す光束が低下する問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２９２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光取り出し効率および輝度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】
実施形態にかかる半導体発光素子は、III-V族化合物半導体からなる発光層と、反射金属層を有する第１電極と、前記第１電極の上に設けられ開口部を有する絶縁層と、第１導電形層と、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、前記絶縁層および前記開口部に露出した前記第１電極の上であり前記発光層の下に設けられ、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII-V族化合物半導体からなる。また、第１導電形層は、第１コンタクト層、組成傾斜層、および第１クラッド層、を少なくとも含む。前記第２導電形層は、前記発光層と前記第２電極との間に設けられ、電流拡散層および第２コンタクト層を有する。前記第２電極は、前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられたパッド部と、前記パッド部から外方に向かい前記第２コンタクト層の上に延在する細線部、とを有する。上方からみて、前記絶縁膜の前記開口部と、前記第２コンタクト層と、は、重ならない。また、前記第１コンタクト層の厚さは、前記電流拡散層の厚さよりも小さい。
【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、図１（ｃ）は領域ＥＮを拡大した模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）〜（ｅ）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２（ａ）は半導体層の模式図、図２（ｂ）は絶縁層をパターニングしたウェーハの模式図、図２（ｃ）はＩＴＯを形成したウェーハの模式図、図２（ｄ）はウェーハ接着の模式図、図２（ｅ）は分割した素子の模式図、である。
【図３】第１の実施形態にかかる半導体発光素子のバンドギャップエネルギー及び屈折率を示すグラフ図である。
【図４】第１の実施形態にかかる半導体発光素子の作用を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。
【図６】図６（ａ）は比較例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。
【図７】比較例のバンドギャップエネルギーおよび屈折率の分布を示すグラフ図である。
【図８】図８（ａ）はエスケープコーンの模式図、図８（ｂ）は比較例の作用を説明する模式図、である。
【図９】図９（ａ）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断面図、図９（ｂ）はＥＮ部を部分拡大した模式断面図、図９（ｃ）はバンドギャップエネルギーおよび屈折率を示すグラフ図、である。
【図１０】図１０（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１０（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図１１】図１１（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１１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
【図１２】ランバート反射構造を説明する模式図である。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｆ）は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法のうち、結晶成長基板上に第２接合電極を形成するまでの工程断面図である。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法のうち、ウェーハ接着プロセス以降を示す工程断面図である。
【図１５】図１５（ａ）は本実施形態にかかる半導体発光素子を用いた発光装置の模式断面図、図１５（ｂ）は領域Ｂを部分拡大した模式断面図、図１５（ｃ）は輝度変動率のグラフ図、である。
【図１６】第３の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。
【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、図１（ｃ）は領域ＥＮを拡大した模式断面図、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の上に設けられた第１導電形層３７と、第１導電形層３７の上に設けられた発光層４０と、発光層４０の上に設けられた第２導電形層５０と、第２導電形層５０の上に設けられた第２電極６０と、を有する。
【００１０】
発光層４０は、単層または多層のIII-V族化合物半導体から形成される。発光層４０が、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなるものとすると、III族元素はＩｎおよびＡｌであり、V族元素はPであり、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）からなるものとすると、III族元素はＡｌおよびＧａであり、V族元素はＡｓであり、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）からなるものとすると、III族元素はＩｎおよびＧａであり、Ｖ族元素は、ＡｓおよびＰであり、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、ＩｎｕＧａｖＡｌ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなるものとすると、III族元素は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌであり、Ｖ族元素はＮであり、紫外〜緑色の波長範囲の光を放出できる。
【００１１】
第１導電形層３７は、第１コンタクト層３２、組成傾斜層３１、第１クラッド層２９、および光ガイド層２９、を含む。第１導電形層３７のバンドギャップエネルギーは、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも大きい。このようにすると、放出光は第１導電形層３７による吸収が抑制され、高い光出力とすることができる。第１導電形層３７また、第１導電形層３７は、第１導電形のＩｎｓ（Ｇａ１−ｔＡｌｔ）１−ｓＰ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）からなるものとする。
【００１２】
また、第１コンタクト層３２は、発光層４０の平均屈折率よりも低い屈折率を有する III-V族化合物半導体から形成される。なお、本明細書において、ＭＱＷ構造の発光層４０の平均屈折率とは、放出光の波長におけるバルク半導体の屈折率を意味し、井戸層の屈折率と、障壁層の屈折率と、の平均値と定義する。図１（ｃ）に表す領域ＥＮの断面図のように、 第１コンタクト層３２は、たとえばＧａＰからなり第１導電形を有し、第１電極２０の透明導電膜２６と接する。組成傾斜層３１は、III-V族化合物半導体からなり、たとえば、第１導電形のＩｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）から形成されてもよい。この組成傾斜層は、第１コンタクト層３２に向かってＩｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙが低下する。すなわち、Ｇａ組成比が高まり組成がＧａＰに近づく。
【００１３】
上方からみて、第２コンタクト層５６は、第１コンタクト層３２と透明導電膜２６とのコンタクト面（矩形状の破線）とは重ならないように設けられる。すなわち、電流は、絶縁層９０に設けられた開口部９０ａ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、絶縁層９０の開口部９０ａの端部と、の最短距離は、上方からみて、例えば５μｍとすることができる。
【００１４】
第１の実施形態では、第２電極６０の細線部６０ｂから注入されたキャリアは、第２電流拡散層５４により横方向に広げられつつ発光層４０へと流れ込むキャリアフローＦ２を生じる。他方、第１電極２０から注入されたキャリアは、横方向への広がりが抑制され発光層４０へ流れ込むキャリアフローＦ１となる。すなわち、第１電極２０と、発光層４０と、の間に、不純物濃度が高い電流拡散層を設けなくともよい。
【００１５】
また、上方からみて、第１コンタクト層３２は、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んでもよい。このようにすると、細線部６０ｂの延在する方向に沿った第１コンタクト層３２内でキャリアの広がりを低減できる。このため、電流注入効率を実効的にさらに高めることができる。発光層４０内において、発光再結合はキャリア密度の略２乗に比例して増加し、非発光再結合はキャリア密度に略比例して増加する。このため、全体としては、電流のキャリア密度が高いほど正味の発光再結合の割合が増加し、高い発光効率とすることが容易となる。
【００１６】
なお、図１（ａ）において、絶縁層９０の開口部９０ａ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。
【００１７】
図２（ａ）〜（ｅ）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２（ａ）は半導体層の模式図、図２（ｂ）は絶縁層をパターニングしたウェーハの模式図、図２（ｃ）は透明導電膜を形成したウェーハの模式図、図２（ｄ）はウェーハ接着の模式図、図２（ｅ）は分割した半導体発光素子の模式図、である。
【００１８】
ＧａＡｓからなる結晶成長基板７０の上に、第２導電形層５０、発光層４０、第１導電形層３７がこの順序に積層される（図２（ａ））。第２導電形層５０は、ｎ形ＧａＡｓの第２コンタクト層５６（キャリア濃度：１×１０１８ｃｍ−３）、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐの第２電流拡散層５４（キャリア濃度：４×１０１７ｃｍ−３）、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第２クラッド層５２（キャリア濃度：３×１０１７ｃｍ−３）、ｎ形ＩｎＧａＡｌＰの光ガイド層５１、を有する。
【００１９】
発光層４０は、例えば、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐからなり、４ｎｍの厚さの井戸層を２０と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐからなり、７ｎｍの厚さの障壁層を２１と、を有するＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とする。なお、半導体層の構造は、これらに限定されない。このような薄膜積層体からなる半導体層は、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。
【００２０】
第１導電形層３７は、発光層４０の側から、ｐ形ＩｎＧａＡｌＰの光ガイド層２８、ｐ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第１クラッド層２９（キャリア濃度：３×１０１７ｃｍ−３）、ｐ形Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる組成傾斜層（キャリア濃度：１×１０１９ｃｍ−３）３１、およびｐ形ＧａＰからなる第１コンタクト層（キャリア濃度：１×１０１９ｃｍ−３）３２、を有する。なお、光ガイド層２８は、設けない場合もある。
【００２１】
結晶成長を行う場合、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐなどからなる第１クラッド層２９、あるいはＩｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐなどの最下層の表面に、発光波長よりも短いバンドギャップ波長λｇを有し、発光層４０の平均屈折率と同じかまたは低い屈折率を有するＧａＰ層を設ける場合、格子不整合が大きいので結晶欠陥を生じやすい。しかしながら、最下層の表面とＧａＰとの間に、III族元素の組成比を積層方向に変化させ、最下層の組成から第１コンタクト層の組成まで変化する組成傾斜層３１を設けると、結晶欠陥を低減できる。すなわち、ｐ形Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなり、Ｉｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙがＧａＰ層に向かって低下する組成傾斜層３１を設けると結晶欠陥を低減できる。組成傾斜層３１は、Ｇａ組成比が徐々に高まり組成がＧａＰに徐々に近づく。混晶元素の組成比を連続的に変化させることは、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。例えば、Ｉｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙは、直線状、２次関数状、階段状などと変化することが容易である。原料ガスの供給を自動制御することにより、第１コンタクト層３２に向かって、Ｉｎ組成比ｘやＡｌ組成比ｙを精度良く低下させることができる。
【００２２】
発明者らの実験によれば、組成傾斜層３１の厚さＴＧを０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下、より好ましくは０．０１μｍ以上、０．０５μｍ以下とすることにより第１コンタクト層３２の結晶性が改善され、その厚さを０．０２μｍ以上、１μｍ以下、とでき、かつ透明導電膜２６とのコンタクト抵抗を低く保てることが判明した。すなわち、格子を整合させるために、厚いＩｎＧａＡｌＰ層を設ける必要がない。
【００２３】
図２（ｂ）のように、絶縁層９０が形成され、さらに絶縁層９０に開口部９０ａが形成される。続いて、図２（ｃ）のように、開口部９０ａに露出した第１コンタクト層３２および絶縁層９０の上に、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide)、酸化錫、酸化亜鉛などの透明導電膜２６を形成する。
【００２４】
Ａｕ、Ａｇ、ＡｇにＩｎ、Ｃｕ、Ｃｒなどを添加したＡｇ合金、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などのうちの少なくともいずれかを含むバリア金属層２４、ＡｕまたはＡｕＩｎなどを含む第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、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。
【００２５】
続いて、図２（ｄ）のように、結晶成長基板７０の上に形成された半導体層の側の第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。Ｓｉ基板の線膨張係数は４×１０−６／℃であり、ＧａＡｓ基板の線膨張係数６×１０−６／℃と近い。このため、ウェーハ接着プロセスにおける応力が低減される。また、金属間の接合温度は、半導体材料間の接合温度よりも低くできるので、ウェーハの割れや欠けがさらに抑制できる。また、Ｓｉ基板を用いると、チップへの分割プロセスが容易となる。
【００２６】
続いて、結晶成長基板７０を除去し、細線部６０ｂとする領域にのみ第２コンタクト層５６を残す。図２（ｅ）のように、パターニングされた第２コンタクト層５６の領域に細線部６０ｂが延在し、細線部を接続するパッド部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、第２電流拡散層５４の側から、ＡｕＧｅ／Ｔｉ／（Ｎｉ）／Ｐｔ／Ａｕなどを積層したものとすることができる。
【００２７】
さらに、第２電極６０が形成されていない半導体層５８の表面には、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)法やウェットエッチング法を用いて微小凹凸５４ａを設ける。表面が平坦な第２電流拡散層と、空気層または封止樹脂層（屈折率：約１．５）と、の界面では全反射が生じる。このため、裏面反射を考慮しない場合、光取り出し効率が十数％以下となる。また、反射金属による裏面反射を考慮しても、光取り出し効率が二十数％以下である。しかし、表面に微小凹凸５４ａを設けると、光取り出し効率を高めることができる。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。
【００２８】
透明導電膜を間に介さずに、例えばＡｕと第１コンタクト層３２とを接触させることもできる。しかし、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とがある。この結果、輝度低下を生じる。
【００２９】
これに対して、第１コンタクト層３２に、１×１０１９ｃｍ−３のＣ（炭素）をドープすると、透明導電膜２６との間で、１〜２×１０−４Ω・ｃｍ２と低いコンタクト抵抗を得ることができる。この場合、ＩＴＯなどの透明導電膜と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少ない。
【００３０】
なお、反射金属層２５として、Ａｇを用いることもできる。発光波長が０．６μｍ以下の場合、Ａｕの光反射率はＡｇの光反射率よりも低下が大きいので、Ａｇを用いる方が高輝度とすることができる。また、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。さらに、図１（ｂ）のように、反射金属層２５のパターニングを行い、素子の側面ＯＥにＡｇやＡｇ合金が露出しない構造とすると、ガスや水分の侵入が抑制され、硫化による反射率の低下が低減できる。
【００３１】
図３は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子のバンドギャップエネルギー及び屈折率を示すグラフ図である。
実線は屈折率分布、破線はバンドギャップエネルギー（ｅＶ）分布、を示す。第２電流拡散層５４は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ（波長０．６μｍで屈折率が約３．２）とする。第２クラッド層５２は、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐ（波長０．６μｍにおいて屈折率が約３．１）とする。
【００３２】
ＧａＰからなる第１コンタクト層３２のバンドギャップエネルギーは、約２．２６ｅＶであり、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも高く、約０．５５μｍ以上の波長範囲の光を吸収せずに透過する。ＧａＰからなる第１コンタクト層３２の屈折率は、０．６μｍの波長において約３．４とほぼ等しい。Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる組成傾斜層３１の屈折率は組成変化とともに変化し、ＧａＰの屈折率に近づく。
【００３３】
図４は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の作用を示す模式図である。
発光層４０からの光は、上方、側方、および下方へ向かって放出される。下方に向かう光のうち、入射角が臨界角より大きい光は屈折率が高い側から低い側に変化する界面で全反射され上方または側方へ向かう。他方、入射角が臨界角よりも小さい光は、光ガイド層２８、第１クラッド層２９、第１コンタクト層３２、透明導電膜２６を通り、反射金属層２５により上方および側方に向かって反射される。
【００３４】
本実施形態では、組成傾斜層３１の厚さＴＧおよび第１コンタクト層３２の厚さＴＣを薄くできるので、横方向への広がりＤＬが低減できる。第１コンタクト層３２の厚さＴＣを、第２電流拡散層５４の厚さＴＳよりも小さくすると、細線部６０ｂからのキャリアは、第２電流拡散層５４内で横方向かつ外側に広がりつつ発光層４０へ注入される。他方、第１電極２０からのキャリアは、発光層４０までの距離が短いために、横方向への広がりが抑制されつつ発光層４０へ注入される。このようにして、上方へ向かう光Ｇ１を増加させ、光取り出し効率および輝度を高めることができる。
【００３５】
透明導電膜２６をＩＴＯ膜とすると、屈折率Ｎｉｔｏは０．６μｍの波長で約１．７である。すなわち、透明導電膜２６、第１コンタクト層（屈折率Ｎｃｏ：３．４）３２、第１クラッド層３６ｂ（屈折率Ｎｃｌ：３．１）までの領域で、屈折率が上方に向かって階段状に高くなるので、全反射が抑制される。
【００３６】
もし、組成傾斜層３１を薄くすると、組成傾斜層３１を通過する光は波動性を強める。このため、光路は、スネルの法則だけにより決まらなくなる。すなわち、媒質内波長λｇ（＝放出光波長／媒質の屈折率）よりも厚さが小さい層は、臨界角よりも大きな角度で界面へ入射した光であっても全反射が低減され、透過率が高まる。例えば、放出光の波長を０．６μｍとし、ＧａＰの屈折率を３．４とすると、媒質内波長λｇは、０．２μｍとなる。組成傾斜層３１の厚さＴＧの０．０１〜０．０５μｍは、媒質内波長λｇの０．０５〜０．２５の長さに対応する。すなわち、反射光は、組成傾斜層３１を透過することが容易となる。
【００３７】
図５は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。
縦軸は５０ｍＡの駆動電流における光束（ｌｍ：ルーメン）、横軸は第１コンタクト層の厚さＴＣ（μｍ）、である。なお、発光素子は、図３に示すＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるものとする。組成傾斜層３１の厚さＴＧは、０．０１から０．１μｍの範囲とする。また、第２電流拡散層５４の厚さは、２．５μｍとする。
【００３８】
第１コンタクト層３２の厚さＴＣが０．０２μｍの場合、光束は９ルーメン（ｌｍ）であった。０．０２μｍよりも薄い第１コンタクト層３２では、その厚さＴＣが薄くなるに従い光束が低下し、例えば０．０１μｍでは光束は７ルーメン（ｌｍ）であった。厚さＴＣが薄くなるに従い順方向電圧が指数関数的に増加するので、厚さＴＣは０．０２μｍ以上であることが好ましい。また、第１コンタクト層３２の厚さＴＣが０．０５μｍで、５０ｍＡの駆動電流における光束は約９．６ルーメン（ｌｍ）となり最大であった。また、厚さＴＣが第２電流拡散層５４の厚さＴＳと同じ２．５μｍにおいて光束は５ルーメン（ｌｍ）と低下し、それよりも厚いとさらに急激に低下した。すなわち、第１コンタクト層３２の厚さＴＣを、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下とすると、発光層４０と、反射金属層２５と、の間の側方への光の広がりＤＬが低減され、上方で取り出し可能な光束を高め、高輝度とすることができることが判明した。
【００３９】
図６（ａ）は比較例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。
第２コンタクト層１５６は、ｎ形ＧａＡｓとする。第２電流拡散層１５４は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐとする。第２クラッド層１５２は、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐとする。光ガイド層１５１は、ｎ形ＩｎＧａＡｌＰとする。第２電流拡散層１５４と、第２クラッド層１５２と、光ガイド層１５１と、のそれぞれの厚さの和は、３．２μｍとする。
【００４０】
発光層１４０は、例えば、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５（０≦ｘ≦１）Ｐからなる井戸層と、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）０．５Ｐ（ｘ＜ｙ、０≦ｙ≦１）からなる障壁層と、を複数積層したＭＱＷ構造とすることができる。
【００４１】
光ガイド層１３６は、ｐ形ＩｎＧａＡｌＰとする。第１クラッド層１３５は、ｐ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐとする。第１電流拡散層１３４は、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ層（厚さ：０．５μｍ）１３４ａと、ｐ形ＧａＰ層（厚さ：１．５μｍ）１３４ｂと、を含む。また、第１コンタクト層（厚さ：０．１μｍ）１３２は、ｐ形ＧａＰ層とする。この場合、第１電流拡散層１３４ａと、１３４ｂと、第１コンタクト層１３２と、のそれぞれの厚さの和ＴＣＣを２．１μｍと大きくする。このようにすると、電流を発光層１４０の面内に広げるとともに、ＩＴＯ膜１２６とのコンタクト抵抗を低減することができる。
【００４２】
比較例では、半導体層１５８と、第１電極１２０、との間に、絶縁層１９０からなる電流ブロック層が設けられている。開口部１９０ａに露出した第１コンタクト層１３２および絶縁層１９０を覆うように透明導電膜１２６、反射金属層１２５、バリア金属層１２４、第２接合金属１２３、が設けられる。
【００４３】
図７は、比較例にかかる半導体発光素子のバンドギャップエネルギーおよび屈折率を示すグラフ図である。
実線は屈折率分布、破線はバンドギャップエネルギー（ｅＶ）分布、を示す。発光層１４０のバンドギャップエネルギーは、ＧａＰのバンドギャップエネルギーである約２．２６ｅＶよりも低い。また、ＧａＰの屈折率は、０．６μｍの波長において約３．４である。
【００４４】
図８（ａ）はエスケープコーンの模式図、図８（ｂ）は比較例の作用を説明する模式図、である。
界面Ｓの上方が屈折率がｎ１、界面Ｓの下方が屈折率がｎ２（ｎ１＞ｎ２）、であるとする。上方からの入射光Ｌｉｎの入射角ΦがΘｃよりも大きいと、界面Ｓで全反射を生じ反射光Ｌｏは下方に出射できない。他方、入射光Ｌｉｎの入射角ΦがΘｃよりも小さいと光は界面Ｓの下方に透過する。すなわち、界面Ｓと直交する軸に対して臨界角Θｃをなす円錐の内部へ入射した光は透過できる。
【００４５】
図８（ｂ）において、下方に向かう光Ｇ１０は、反射金属層１２５により反射され光取り出し面から出射する。光Ｇ１０よりも大きな入射角の光Ｇ１１は、厚さＴＣＣが、例えば２．１μｍなどと大きいので、側方への広がりＤＬＬが大きくなる。このため、例えば、外方へ向かう光は素子側面から出射しやすくなり上方での光取り出し効率が低下する。他方、内方に向かう光はパッド部に遮光され、上方での光取り出し効率が低下する。
【００４６】
また、反射金属層１２５による反射光Ｇ１３は、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ層１３４ａと、ｐ形ＧａＰ層１３４ｂと、の界面への入射角が臨界角である７０度よりも大きいと全反射を生じ、光Ｇ１３は再び下方に向かうので、上方での光取り出し効率が低下する。
【００４７】
第１電流拡散層１３４を厚くすると、第１電極１２０から注入されたキャリアが内側に向かって広がる。この結果、細線部１６０ｂから注入され外側に向かって広がったキャリアとともに、発光領域ＥＥＲを広げ過ぎ、電流注入密度が実効的に低下するので、光取り出し効率が十分には高まらない。
【００４８】
これに対して、第１の実施形態では、組成傾斜層３１の厚さＴＧおよび第１コンタクト層３２の厚さＴＣを小さくし、発光層４０から反射金属層２５へ向かう光、および反射光が側方に広がることを抑制できる。このため、上方での光取り出し効率がさらに高められる。
【００４９】
図９（ａ）は第一実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の模式断面図、図９（ｂ）はＥＮ部を部分拡大した模式断面図、図９（ｃ）はバンドギャップエネルギーおよび屈折率を示すグラフ図、である。
第１導電形層３７は、第１電流拡散層３０を有してもよい。例えば、組成傾斜層３１と、第１クラッド層２９と、の間に、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐなどからなる第１電流拡散層３０を設けることができる。この場合、発光層４０と反射金属層２５との間で光の横方向への広がりを抑制するように、第１電流拡散層３０の厚さは第１コンタクト層３２の厚さＴＣよりも小さいことが好ましい。組成傾斜層３１の組成は、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐから、ＧａＰへ近づくように変化させればよい。
【００５０】
図１０（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１０（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
第２の実施形態は、窒化物系材料からなる半導体発光素子とする。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の上に設けられた第１導電形層３７と、第１導電形層３７の上に設けられた発光層９４と、発光層４０の上に設けられた第２導電形層５０と、第２導電形層５０の上に設けられた第２電極６０と、を有する。
【００５１】
第１導電形層３７は、第１電極２０の側から、ｐ形ＧａＮからなる第１コンタクト層９１、ｐ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第１クラッド層９２、およびｐ形の第１組成傾斜層９３、をこの順序で有する。また、第２導電形層５０は、発光層９４を挟んで、発光層９４の側から、ｎ形第２組成傾斜層９５、ｎ形の第２組成傾斜層９５、ｎ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２クラッド層９６、ｎ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる電流拡散層９７、およびｎ形ＧａＮからなる第２コンタクト層９８、をこの順序で有する。
【００５２】
発光層９４は、ＭＱＷ構造とし、ＩｎｕＧａｖＡｌ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなるものとする。例えば、ＭＱＷ構造において、井戸層はＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ、障壁層はＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、からなるものとすることができる。
【００５３】
また、第１組成傾斜層９３および第２組成傾斜層９５は、発光層９４の側からクラッド層に向かって、組成がＩｎ０．１Ｇａ０．９ＮからＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎへと徐々に変化することが好ましい。発明者らの実験によれば、第１組成傾斜層９３の厚さＴＧを０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下とすると、ＧａＮに対して、格子整合を容易にでき、順方向電圧を低減できることが判明した。また、第１コンタクト層９１の厚さＴＣを電流拡散層９７の厚さＴＳよりも小さくすると、第１電極２０による反射光が横方向へ広がることが抑制できるので好ましい。さらに、第１コンタクト層９１の厚さＴＣを、０．０２μｍ以上、１．０μｍ以上とすると、より好ましい。
【００５４】
図１１（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１１（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電極と、第１電極の上に設けられた第１導電形層３７と、第１導電形層３７の上に設けられた発光層４０と、発光層４０の上に設けられた第２導電形層５０と、第２導電形層５０の上に設けられた第２電極６０と、を有している。第１導電形層３７、発光層４０、および第２導電形層５０は、図９（ａ）〜（ｃ）に示した第１の実施形態の変形例と同じものとする。なお、第１電極は、支持基板１０の側から、第１接合電極２２、第２接合電極２３、Ａｕ膜２７、バリア金属層２４、反射金属層２５、および透明導電膜２６、をこの順序に有する。
【００５５】
第３の実施形態では、反射金属層２５が、ランバート反射構造を有している。すなわち、反射金属層２５の表面には、微小凹凸が設けられている。この微小凹凸は、規則的でも不規則的でもよいが、凹凸のピッチが発光層４０からの放出光の媒質内波長程度か、またはそれよりも長くすると光の拡散効果を高めることができるので好ましい。
【００５６】
図１１（ａ）および（ｂ）において、第１コンタクト層３２の表面に開口部９０ａを有する絶縁層９０が設けられている。発光層４０がＩｎＡｌＧａＰ系材料からなるものとし、その発光波長が６００ｎｍとする。また、凹凸の平均深さは、例えば５０〜２００ｎｍとする。ＡｇまたはＡｇ合金などからなる反射金属層２５の平均ピッチは、例えば３５０〜１２００ｎｍとする。発明者らの実験によれば、このような構造の発光素子の輝度は、ランバート反射構造が設けられない発光素子の輝度よりも１５％以上高いことが判明した。
【００５７】
図１２は、ランバート反射構造を説明する模式図である。
第１コンタクト層３２がＧａＰからなり、透明導電膜２６がＩＴＯからなるものとする。ＧａＰ（屈折率：約３．４）からＩＴＯ（屈折率：約１．７）へ入射する場合の臨界角である３０度よりも小さい入射角を有する光は、ＩＴＯに入射したのち、反射金属層２５により反射されたのち拡散する（ｇ１、ｇ２、ｇ３）。発光層４０が６００ｎｍの波長の光を放出し、凹凸の平均ピッチが７００ｎｍ、かつ平均深さが２０ｎｍである場合、照射された直線光が拡散光に変換される割合は、例えば４０％となる。また、変換率は、凹凸の平均深さが大きくなるのに応じて増加する。このため、輝度を高めることができる。
【００５８】
図１３（ａ）〜（ｆ）は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法のうち、結晶成長基板上に、第２接合電極を形成するまでの工程断面図である。
図１３（ａ）のように、ＧａＡｓなどからなる結晶成長基板７０の上に、第２導電形層５０、発光層４０、および第１導電形層３７がＭＯＣＶＤ法などを用いて形成される。
【００５９】
図１３（ｂ）のように、第１導電形層３７の表面に、ＳｉＯ２などからなる絶縁層９０を形成し、電流経路とすべき領域に開口部９０ａを選択的に設ける。さらに、図１３（ｃ）のように、開口部９０ａに露出した第１コンタクト層３２および開口部９０ａの周囲の絶縁層９０を覆うようにＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛などからなる透明導電膜２６を形成する。
【００６０】
図１３（ｄ）のように、透明導電膜２６の表面を、薬液処理、ＲＩＥ等を用いて、凹凸２６ａを形成する。この場合、凹凸２６ａの底部に第１コンタクト層３２が露出しないように、ＩＴＯの厚さと凹部の深さを選択する。もし、第１コンタクト層３２が露出すると、後に形成する反射金属層が、第１コンタクト層３２と、直接接触するので好ましくない。
【００６１】
他方、透明導電膜２６を厚くしすぎると、透明導電膜２６内で光吸収が増大し輝度が１０％程度低下することがある。このため、透明導電膜２６の厚さは、１００〜３００ｎｍの範囲、凹凸２６ａの平均深さは、５０〜２００ｎｍの範囲とすることが好ましい。
【００６２】
続いて、図１３（ｅ）のように、透明導電膜２６に形成された凹凸２６ａの上に、ＡｇやＡｇ合金などからなる反射金属層２５、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉのうちの少なくともいずれかを含むバリア金属層２４、を形成する。
【００６３】
図１３（ｆ）のように、バリア金属層２４をＡｕ膜２７などで覆う。さらに、Ａｕ膜２７を覆うように、ＡｕＩｎやＡｕなどからなる第２接合金属層２３を形成する。または、ダイシングライン領域において、透明導電膜２６、反射金属膜２５、バリア金属層２４を除去したのち、ウェーハ全面を覆うようにＡｕ膜２７および第２接合金属層２３をこの順序で形成してもよい。このようにすると、図１１（ｂ）のように、ＡｇやＡｇ合金が発光素子の側面に露出しないので、Ａｇの硫化やマイグレーションが抑制されるのでより好ましい。
【００６４】
図１４（ａ）〜（ｄ）は、第３実施形態の半導体発光素子の製造方法のうち、ウェーハ接着プロセス以降を示す工程断面図である。
図１４（ａ）のように、Ｓｉなどからなる支持基板１０に、ＡｕＩｎなどからなる第１接合金属層２２が形成される。支持基板１０と、結晶成長基板７０の側の積層体と、は、第１接合金属層２２と第２接合金属層２３とが重ね合わされ、かつ加熱されることによりウェーハ状態で接着される。もし、第２接合金属層２３の表面に凹凸２６ａが引き継がれた凹凸が残っていたとしても、ＡｕＩｎなどの半田材が溶融することにより、第１接合金属層２２との密着性を高く保つことができる。
【００６５】
図１４（ｂ）のように、結晶成長基板７０が除去される。もし、結晶成長基板７０を薬液処理法などで除去する場合、エッチングストップ層５９を設けてあるので、第２コンタクト層５６を確実に残すことができる。さらに、図１４（ｃ）のように、第２導電形層５０の表面に第２電極６０が形成される。また、第２電極６０の非形成領域となる第２導電形層５０の表面に凹凸５４ａが設けられてもよい。
【００６６】
続いて、図１４（ｄ）のように、凹凸５４ａの上に、シリコン酸化膜９２が形成される。さらに、支持基板１０の裏面に裏面電極６２が形成されて、半導体発光素子のウェーハが完成する。
【００６７】
図１５（ａ）は本実施形態にかかる半導体発光素子を用いた発光装置の模式断面図、図１５（ｂ）は領域Ｂを部分拡大した模式断面図、図１５（ｃ）は吸湿リフロー加速試験後の輝度変動率のグラフ図、である。
本実施形態にかかる半導体発光素子８４の表面のうち、少なくとも第２電極６０の非形成領域にはシリコン酸化膜９２を設けることができる。実装部材８０は、樹脂などの成形体８０ａ、リード端子８０ｂ、台座８０ｃ、などを有する。半導体発光素子８４は、導電性接着剤８６などを用いて、台座８０ｃの上に接着されている。
【００６８】
図１５（ｂ）のように、半導体発光素子８４の第２導電形層５０の表面のうち、第２電極６０の非形成領域には厚さがＴＰのシリコン酸化膜９２が設けられている。封止層８８は、エポキシやシリコーンなどの封止樹脂からなる。発明者らの実験によると、第２導電形層の表面にエポキシからなる封止層が直接に接すると、２６０℃における吸湿リフロー加速試験において、封止層と第２導電形層との間に収縮応力Ｓが作用し、封止層の剥離などを生じることがあった。
【００６９】
図１５（ｃ）は、シリコン酸化膜の厚さＴＰ（ｎｍ）に対する輝度変動率（％）の依存性を示すグラフ図である。シリコン酸化膜９２の厚さＴＰを２５〜４００ｎｍとすると、２６０℃の吸湿リフロー加速試験後の輝度変動率が５％以下に抑制できた。もし、剥離が発生すると、輝度変動率はさらに大きくなる。他方、１００ｎｍの厚さのＳｉＯＮ膜では、剥離を生じやすく、輝度変動率は約１２％と大きくなった。使用環境条件が厳しい車載用途などでは、第２導電形層５０の表面を厚さが２５〜４００ｎｍの範囲のシリコン酸化膜９２で覆うことが好ましい。なお、シリコン酸化膜９２は、封止層８８との間で水素結合を形成することなどにより互いの密着性を高めることができる。
【００７０】
図１６は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。
比較のため、図５に示した第１の実施形態（シリコン酸化膜無し）の光束依存性を○印で示す。第１の実施形態の半導体発光素子の表面にシリコン酸化膜９２を設けた場合の光束を■印で示す。また、第３の実施形態（シリコン酸化膜有り）の光束は、▲印で表す。
【００７１】
第２導電形層５０の表面の凹凸面５４ａにシリコン酸化膜９２を設けると、凹凸の急峻性が低減されるので光束が約５％低下する。しかし、反射金属層２５が凹凸面を有していれば、光束は、シリコン酸化膜無しとした第１の実施形態よりも約１０％増加する。すなわち、光取り出し面にシリコン酸化膜９２を設けた第３の実施形態では、信頼性を保ちつつ、高輝度とすることが容易となる。
【００７２】
第１〜第３の実施形態およびこれに付随した変形例にかかる半導体発光素子は、光取り出し効率および輝度を高めることが容易となり、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いることができる。
【００７３】
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】
【００７４】
１０ 支持基板、２０ 第１電極、２５ 反射金属層、２６ 透明導電膜、２６ａ 凹凸面、２９ 第１クラッド層、３１、９３ 組成傾斜層、３２、９１ 第１コンタクト層、３７ 第１導電形層、４０、９４ 発光層、５０ 第２導電形層、５２ 第２クラッド層、５４、９７ （第２）電流拡散層、５４ａ 凹凸面、５６、９８ 第２コンタクト層、６０ 第２電極、６０ａ パッド部、６０ｂ 細線部、９０ 絶縁層、９０ａ 開口部、９２ シリコン酸化膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III-V族化合物半導体からなる発光層と、
反射金属層を有する第１電極と、
前記第１電極の上に設けられ開口部を有する絶縁層と、
前記絶縁層および前記開口部に露出した前記第１電極の上であり前記発光層の下に設けられ、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII-V族化合物半導体からなる第１導電形層であって、第１コンタクト層、組成傾斜層、第１クラッド層、を少なくとも含む第１導電形層と、
前記発光層の上に設けられ、前記発光層の側から、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コンタクト層の非形成領域に設けられたパッド部と、前記パッド部から外方に向かい前記第２コンタクト層の上に延在する前記細線部、を有する第２電極と、
を備え、
上方からみて、前記絶縁膜の前記開口部と、前記第２コンタクト層と、は、重ならず、
前記第１コンタクト層の厚さは、前記電流拡散層の厚さよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１コンタクト層の厚さは、０．０２μｍ以上、１μｍ以下である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】
前記組成傾斜層の厚さは、０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項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、Iｎｚ（Ｇａ１−ｗＡｌｗ）１−ｚＰ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１）、ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０≦ｑ≦０．４５）、およびＩｎｇＧａ１−ｇＡｓｈＰ１−ｈ（０≦ｇ≦１、０≦ｈ≦１）のいずれかからなり、
前記第１コンタクト層は、ＧａＰからなり、
前記組成傾斜層は、前記第１クラッド層と前記第１コンタクト層との間に設けられ、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなり、前記第１コンタクト層に近づくに従ってＩｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙがゼロに近づく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】
前記発光層は、ＩｎｕＧａｖＡｌ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなり、
前記第１コンタクト層は、ＧａＮからなり、
前記組成傾斜層は、前記発光層と前記第１クラッド層との間に設けられ、ＩｎｕＧａｖＡｌ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなり、前記第１クラッド層に近づくに従ってIII族組成比が前記第１クラッド層のIII族組成比に近づく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６】
前記絶縁層の前記開口部は、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する請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１電極は、前記反射金属層と、前記第１コンタクト層と、の間に設けられ、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をさらに有する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】
前記反射金属層は、前記透明導電膜の側に凹凸面を有し、
前記透明導電膜は、前記反射金属層の前記凹凸面と嵌合した凹凸面を有することを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記反射金属層は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第２導電形層の表面のうち、少なくとも前記第２電極の非形成領域に設けられたシリコン酸化膜をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第２電極の前記非形成領域は、凹凸面であることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第２導電形層の表面のうち、前記第２電極の非形成領域は、凹凸面であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１】
III-V族化合物半導体からなる発光層と、
反射金属層を有する第１電極と、
前記第１電極の上に設けられ開口部を有する絶縁層と、
前記絶縁層および前記開口部に露出した前記第１電極の上であり前記発光層の下に設けられ、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII-V族化合物半導体からなる第１導電形層であって、第１コンタクト層、組成傾斜層、第１クラッド層、を少なくとも含む第１導電形層と、
前記発光層の上に設けられ、前記発光層の側から、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コンタクト層の非形成領域に設けられたパッド部と、前記パッド部から外方に向かい前記第２コンタクト層の上に延在する前記細線部、を有する第２電極と、
を備え、
上方からみて、前記絶縁膜の前記開口部と、前記第２コンタクト層と、は、重ならず、
前記第１コンタクト層の厚さは、前記電流拡散層の厚さよりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１コンタクト層の厚さは、０．０２μｍ以上、１μｍ以下である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】
前記組成傾斜層の厚さは、０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項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、Iｎｚ（Ｇａ１−ｗＡｌｗ）１−ｚＰ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１）、ＡｌｑＧａ１−ｑＡｓ（０≦ｑ≦０．４５）、およびＩｎｇＧａ１−ｇＡｓｈＰ１−ｈ（０≦ｇ≦１、０≦ｈ≦１）のいずれかからなり、
前記第１コンタクト層は、ＧａＰからなり、
前記組成傾斜層は、前記第１クラッド層と前記第１コンタクト層との間に設けられ、Ｉｎｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなり、前記第１コンタクト層に近づくに従ってＩｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙがゼロに近づく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】
前記発光層は、ＩｎｕＧａｖＡｌ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなり、
前記第１コンタクト層は、ＧａＮからなり、
前記組成傾斜層は、前記発光層と前記第１クラッド層との間に設けられ、ＩｎｕＧａｖＡｌ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなり、前記第１クラッド層に近づくに従ってIII族組成比が前記第１クラッド層のIII族組成比に近づく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６】
前記絶縁層の前記開口部は、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する請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１電極は、前記反射金属層と、前記第１コンタクト層と、の間に設けられ、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をさらに有する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】
前記反射金属層は、前記透明導電膜の側に凹凸面を有し、
前記透明導電膜は、前記反射金属層の前記凹凸面と嵌合した凹凸面を有することを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記反射金属層は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第２導電形層の表面のうち、少なくとも前記第２電極の非形成領域に設けられたシリコン酸化膜をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第２電極の前記非形成領域は、凹凸面であることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第２導電形層の表面のうち、前記第２電極の非形成領域は、凹凸面であることを特徴とする請求項１〜９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７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−２５６８１１（Ｐ２０１２−２５６８１１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４７８５（Ｐ２０１１−１６４７８５）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【特許番号】特許第５０９５８４８号（Ｐ５０９５８４８）
【特許公報発行日】平成２４年１２月１２日（２０１２．１２．１２）
【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１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【特許番号】特許第５０９５８４８号（Ｐ５０９５８４８）
【特許公報発行日】平成２４年１２月１２日（２０１２．１２．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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