半導体発光素子
【課題】低電圧で高輝度の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、第１、第２電極層、第１、第２半導体層、発光層及び第１中間層を含む半導体発光素子が提供される。第１電極層は、金属部を有する。金属部には、円相当直径が１０ｎｍ以上５μｍ以下の複数の貫通孔が設けられている。第２電極層は光反射性である。第１半導体層は、第１電極層と第２電極層との間に設けられ第１導電形である。第２半導体層は第１半導体層と第２電極層との間に設けられ第２導電形である。発光層は、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられる。第１中間層は、第２半導体層と第２電極層との間に設けられ、光透過性である。第１中間層は、複数の第１コンタクト部と、第１非コンタクト部と、を含む。第１非コンタクト部は、積層方向に対して垂直な平面内において第１コンタクト部と並置される。
【解決手段】実施形態によれば、第１、第２電極層、第１、第２半導体層、発光層及び第１中間層を含む半導体発光素子が提供される。第１電極層は、金属部を有する。金属部には、円相当直径が１０ｎｍ以上５μｍ以下の複数の貫通孔が設けられている。第２電極層は光反射性である。第１半導体層は、第１電極層と第２電極層との間に設けられ第１導電形である。第２半導体層は第１半導体層と第２電極層との間に設けられ第２導電形である。発光層は、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられる。第１中間層は、第２半導体層と第２電極層との間に設けられ、光透過性である。第１中間層は、複数の第１コンタクト部と、第１非コンタクト部と、を含む。第１非コンタクト部は、積層方向に対して垂直な平面内において第１コンタクト部と並置される。
【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】
ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子において、高い輝度と共に低い順方向電圧が望まれる。Thin film型の構造のＬＥＤにおいて、ドット状の電極を設け、これにより電流密度を上げることで高輝度を得ようとする構成がある。しかしながら、高輝度と低順方向電圧とを得るためには改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６７８４４６２Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、低電圧で高輝度の半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、第１電極層と、第２電極層と、第１半導体層と、第２半導体層と、発光層と、第１中間層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記第１電極層は、金属部を有する。前記金属部には、円相当直径が１０ナノメートル以上５マイクロメートル以下の開口部を有する複数の貫通孔が設けられている。前記第２電極層は、前記第１電極層と積層され、光反射性である。前記第１半導体層は、前記第１電極層と前記第２電極層との間に設けられ、第１導電形である。前記第２半導体層は、前記第１半導体層と前記第２電極層との間に設けられ、前記第１導電形とは異なる第２導電形である。前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第２半導体層と前記第２電極層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記発光層から放出される光に対して透過性を有する。前記第１中間層は、複数の第１コンタクト部と、第１非コンタクト部と、を含む。前記複数の第１コンタクト部は、前記第２電極層と前記第２半導体層とを電気的にコンタクトさせる。前記第１非コンタクト部は、前記第２電極層から前記第１電極層に向かう積層方向に対して垂直な第１平面内において前記複数の第１コンタクト部と並置され、前記第２電極層と前記第２半導体層との間の電気抵抗を前記第１コンタクト部よりも高くする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的斜視図である。
【図３】参考例の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図４】半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図５】第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順模式的図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１（ｂ）は、透視平面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線断面図である。
【０００９】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１電極層５０と、第２電極層６０と、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光層３０と、第１中間層４０と、を含む。
【００１０】
第１電極層５０は、金属部５１を有する。金属部５１には、複数の貫通孔５２が設けられている。第１電極層５０の例については後述する。図１（ｂ）においては、図を見やすくするために、貫通孔５２は省略されている。
【００１１】
第２電極層６０は、第１電極層５０と積層される。本願明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。
【００１２】
第２電極層６０は、光反射性である。第２電極層６０は、発光層３０から放出される光に対して反射性を有する。
【００１３】
ここで、第２電極層６０から第１電極層５０に向かう方向を積層方向とする。積層方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１４】
例えば、第１電極層５０は、Ｘ−Ｙ平面に対して平行な層面を有する。例えば、第２電極層６０は、Ｘ−Ｙ平面に対して平行な層面を有する。
【００１５】
第１半導体層１０は、第１電極層５０と第２電極層６０との間に設けられる。第１半導体層１０は、第１導電形を有する。
【００１６】
第２半導体層２０は、第１半導体層１０と第２電極層６０との間に設けられる。第２半導体層２０は、第２導電形を有する。第２導電形は、第１導電形とは異なる導電形である。
【００１７】
例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形である場合として説明する。
【００１８】
発光層３０は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。発光層３０の構成の例については後述する。
【００１９】
第１中間層４０は、第２半導体層２０と第２電極層６０との間に設けられる。第１中間層４０は、発光層３０から放出される光に対して透過性を有する。第１中間層４０は、複数の第１コンタクト部４１と、第１非コンタクト部４２と、を有する。複数の第１コンタクト部４１のそれぞれは、第２電極層６０と第２半導体層２０とを電気的にコンタクトさせる。第１非コンタクト部４２は、積層方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な第１平面４０ａ内（Ｘ−Ｙ平面内）において、複数の第１コンタクト部４１と並置される。第１平面４０ａは、例えば、第１中間層４０と第２半導体層２０との間の界面である。第１非コンタクト部４２は、第２電極層６０と第２半導体層２０との間の電気抵抗を、第１コンタクト部４１よりも高くする。
これにより、低電圧で高輝度の半導体発光素子を提供することができる。
【００２０】
この例では、第２電極層６０は、支持基板７０の上に設けられる。本願明細書において、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に他の層が挿入されて設けられる場合も含む。
【００２１】
支持基板７０の下面に、ｐ側電極７１が設けられている。すなわち、ｐ側電極７１と第２電極層６０との間に支持基板７０が配置されている。ｐ側電極７１は、支持基板７０とオーミック接触している。支持基板７０には、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましい。支持基板７０には、例えば、半導体または金属を用いることができる。支持基板７０には、例えばシリコンを用いることができる。さらに具体的には、支持基板７０には、例えばｐ形のシリコン基板などが用いられる。
【００２２】
第２電極層６０は、支持基板７０とオーミック接触している。第２電極層６０には、発光層３０の発光波長に対して高反射率の材料を用いることが好ましい。第２電極層６０には、Ａｕ、Ａｇ及びＡｌ、または、Ａｕ、Ａｇ及びＡｌの少なくともいずれかを主成分とする合金を用いることが好ましい。第２電極層６０として、例えばＡｇ層が用いられる。第２電極層６０の厚さは、例えば、約２００ナノメートル（ｎｍ）である。
【００２３】
第２電極層６０の上に、第１中間層４０の一部となる例えば光透過導電層４１ａが設けられている。光透過導電層４１ａには、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などが用いられる。光透過導電層４１ａの厚さは、例えば、約１５０ｎｍである。
【００２４】
光透過導電層４１ａの上面に、第１非コンタクト部４２となる絶縁層が設けられている。この絶縁層には、例えば、ＳｉＯ２などが用いられる。この絶縁層に、例えばドット状の複数の開口部が設けられており、この開口部において、光透過導電層４１ａが露出している。開口部に露出している光透過導電層４１ａが、複数の第１コンタクト部４１となる。
【００２５】
この例では、第１非コンタクト部４２と第２電極層６０との間に、光透過導電層４１ａの一部が設けられているが、実施形態はこれに限らない。第１非コンタクト部４２は第２電極層６０と接していても良い。第１中間層４０において、Ｘ−Ｙ平面内において複数の第１コンタクト部と第１非コンタクト部とが並置されていれば、他の構成は任意である。
【００２６】
実施形態において、第１コンタクト部４１には、半導体または透明導電性材料を用いることができる。第１非コンタクト部４２には、例えば、不純物濃度の低い半導体、または、絶縁性材料を用いることができる。例えば、上記のように、第１コンタクト部４１としてＩＴＯを用い第１非コンタクト部４２としてＳｉＯ２を用いる。
【００２７】
第１中間層４０の上に、例えば、ｐ側コンタクト層２２となるｐ形のＧａＰ層が設けられる。ｐ側コンタクト層２２の厚さは、例えば、１００ｎｍである。ｐ側コンタクト層２２の上に、例えば、第２クラッド層２１となるｐ形のＩｎＡｌＰ層が設けられる。ｐ側コンタクト層２２及び第２クラッド層２１は、第２半導体層２０に含まれる。
【００２８】
第２半導体層２０の上に、発光層３０が設けられる。発光層３０には、例えば、ＩｎＧａＰ層が用いられる。
【００２９】
発光層３０の上に、第１クラッド層１１となるｎ形のＩｎＡｌＰ層が設けられる。このように、ｐ側コンタクト層２２の上に、第２クラッド層２１（ｐ形のＩｎＡｌＰ層）、発光層３０（ＩｎＧａＰ層）、及び、第１クラッド層１１（ｎ形のＩｎＡｌＰ層）を含むヘテロ構造が設けられる。
【００３０】
第１クラッド層１１の上に、電流拡散層１２が設けられている。電流拡散層１２には、例えば、ｎ形のＩｎＧａＡｌＰの４元元素の層が用いられる。電流拡散層１２は、第１クラッド層１１の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する。
【００３１】
電流拡散層１２の上に、ｎ側コンタクト層１３となる、例えば、ｎ形のＧａＰ層が設けられている。ｎ側コンタクト層１３には、例えば、ｎ形のＧａＡｓなどを用いても良い。
【００３２】
ｎ側コンタクト層１３の上に、第１電極層５０が設けられる。
このように、第１半導体層１０は、第１クラッド層１１と、電流拡散層１２と、を含む。電流拡散層１２は、第１クラッド層１１と第１電極層５０との間に設けられる。第１半導体層１０は、電流拡散層１２と第２電極層５０との間に設けられたｎ側コンタクト層１３をさらに含んでも良い。
【００３３】
この例では、発光層３０から放出される光のピーク波長は、例えば約６３５ｎｍである。ただし、実施形態において、発光層３０から放出される光のピーク波長は、任意である。
【００３４】
第１電極層５０の一部の上にｎ側パッド電極５５が設けられている。なお、積層方向（Ｚ軸方向）に見たときに、第１非コンタクト部４２（例えば、ＳｉＯ２層）は、ｎ側パッド電極５５と重なる部分を有している。
【００３５】
図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
図２に表したように、第１電極層５０は、金属部５１を有する。金属部５１には、複数の貫通孔５２が設けられている。貫通孔５２は、金属部５１をＺ軸方向に沿って貫通している。貫通孔５２は、開口部５２ｏを有する。開口部５２ｏの円相当直径は、１０ｎｍ以上５マイクロメートル（μｍ）以下である。
【００３６】
開口部５２ｏをＺ軸方向に沿ってみたときの面積をＳとすると、円相当直径は、２×（Ｓ／π）１／２ で表される（ここで、πは円周率である）。
【００３７】
実施形態において、開口部５２ｏをＸ−Ｙ平面で切断したときの形状は、円形、扁平円形、多角形、角が丸い多角形など、任意である。開口部５２ｏの形状が円形でない場合は、上記の円相当直径の定義を用いて開口部５２ｏを規定する。
【００３８】
第１電極層５０（金属部５１）は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＴｉの少なくとも１つを含む。金属部５１にこのような金属を用いることで、ＩＴＯなどの酸化物透明電極と比較して１桁から２桁以上高い導電率が得られる。また、第１電極層５０においては、高い熱伝導性も得られる。そして、第１電極層５０の金属部５１には、円相当直径が１０ｎｍ以上５μｍ以下の開口部５２ｏを有する貫通孔５２が設けられている。これにより、第１電極層５０は、光透過性である。このような構成を便宜的にメッシュ電極ということにする。
【００３９】
第１電極層５０の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより、高い導電率と、高い光透過率とが得られ、貫通孔５２の良好な加工特性が得られる。
【００４０】
例えば、第１電極層５０のシート抵抗は、１０（Ω／□：オーム／square）以下とすることができる。上記の構成により、このような低いシート抵抗が実現できる。
【００４１】
また、第１電極層５０のＺ軸方向に沿ってみたときの面積は、１平方ミリメートル（ｍｍ２）以上とすることができる。上記の構成により、このような広い面積においても、高い導電率と、高い光透過率とを得ることができる。
【００４２】
第１電極層５０と第２電極層６０との間（ｎ側パッド電極５５とｐ側電極７１との間）に所定の電圧を印加することで、発光層３０から光が放出される。この光は、主として第１電極層５０の側から外部に放出される。すなわち、光の一部は、第１半導体層１０及び第１電極層５０を介して、外部に出射する。光の別の一部は、反射性の第２電極層６０で反射し、第２半導体層２０、発光層３０、第１半導体層１０及び第１電極層５０を介して外部に出射する。このように、半導体発光素子１１０においては、第１電極層５０が形成された面が、主たる発光面として利用される。
【００４３】
実施形態においては、第１中間層４０において、複数の第１コンタクト部４１と、第１非コンタクト部４２と、が設けられることで、第１電極層５０と第２電極層６０とを流れる電流が狭窄される。
【００４４】
図１（ａ）に表したように、第１電極層５０と第２電極層６０とを流れる電流は、非コンタクト部４２を通過せず、複数の第１コンタクト部４１を通る電流経路Ｉ１を流れる。このため、電流密度が上昇する。電流密度が上昇することで高い輝度が得られる。
【００４５】
第１電極層５０の高い導電率により、第１電極層５０内でＸ−Ｙ平面で十分に広がって電流が流れ、第１電極層５０から第２電極層６０に向けてほぼＺ軸方向に沿う電流経路Ｉ１に沿って電流が流れる。第１電極層５０により、電流をＸ−Ｙ平面内で十分に均一に広げることができるため、例えば、電流拡散層１２を薄く設定することが可能でなる。これにより、例えば順方向電圧の上昇などの悪影響を発生させることなく、複数の第１コンタクト部４１における電流狭窄効果により電流密度を高めることができる。
このように、半導体発光素子１１０によれば、低電圧で高輝度の半導体発光素子が提供できる。
【００４６】
図３は、参考例の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、第１参考例の半導体発光素子１９１においては、第１電極層５０（メッシュ電極）が設けられていない。そして、第１半導体層１０（この例ではｎ側コンタクト層１３）の上に細線電極５６が設けられている。図３では図示していないが、細線電極５６は、ｎ側パッド電極５５と接続されている。この例では、Ｚ軸方向に沿ってみたときに、複数の第１コンタクト部４１は、細線電極５６と重なっていない。
【００４７】
また、図３に例示した構成において、非コンタクト部４２を設けない構成を第２参考例の半導体発光素子１９２とする。この構成においては、ドット状の複数の第１コンタクト部４１が設けられず、第２半導体層２０の全面が第２電極層６０と電気的にコンタクトする。
【００４８】
このような構成を有する第１参考例の半導体発光素子１９１においては、ドット状の第１コンタクト部４１を設けることで、電流経路Ｉ２で示したように、電流が狭窄される。これにより、第１参考例の半導体発光素子１９１においては、第２参考例の半導体発光素子１９２に比べて、電流密度が増加する。これにより効率が上昇する。しかしながら、この構成においては、細線電極５６の直下に第１コンタクト部４１が設けられていないため、抵抗損が発生する。このため、順方向電圧が上昇してしまう。
【００４９】
図４は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図４には、実施形態に係る半導体発光素子１１０、第１参考例の半導体発光素子１９１、及び、第２参考例の半導体発光素子１９２の特性が例示されている。図４の横軸は、順方向電圧Ｖｆである。縦軸は、電流Ｉｃである。
【００５０】
図４に表したように、半導体発光素子１９１においては、半導体発光素子１９２よりも順方向電圧Ｖｆが上昇する。これは、上記のように、細線電極５６の直下に第１コンタクト部４１が設けられていないため、抵抗損が発生するためである。
【００５１】
これに対して、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、順方向電圧Ｖｆは、上昇しない。例えば、半導体発光素子１１０における順方向電圧Ｖｆは、半導体発光素子１９２よりも低くできる。そして、電流狭窄の効果も大きく、より効率が向上し、高輝度の発光が得られる。
【００５２】
すなわち、図１に関して既に説明したように、第１電極層５０内でＸ−Ｙ平面に十分に広がって電流が流れ、電流はほぼＺ軸方向に沿う電流経路Ｉ１に沿って電流が流れるため、順方向電圧Ｖｆが上昇しない。
半導体発光素子１１０によれば、低電圧で高輝度の半導体発光素子が提供できる。
【００５３】
半導体発光素子１１０において、電流拡散層１２のドーピング濃度にもよるが、電流拡散層１２のシート抵抗がある程度高いと電流の広がりを抑制できて電流密度を高めることが可能となる。そのため、ｎ側の電流拡散層１２の厚さは、５μｍ以下が好ましい。また、電流拡散層１２が薄いほうが電流の広がりをより抑えられるため１μｍ以下がより好ましい。電流拡散層１２の厚さが薄すぎると電流をうまく注入できないため１０ｎｍ以上が好ましい。
【００５４】
このように、本実施形態において、第１半導体層１０が、第１クラッド層１１と電流拡散層１２とを含む場合、電流拡散層１２の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上５μｍ以下に設定される。または、電流拡散層１２の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１μｍ以下に設定される。ｎ側の電流拡散層１２のシート抵抗は、例えば、１０２Ω／□以上１０６Ω／□以下とすることができる。
【００５５】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図５は、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線断面に相当する断面図である。
図５に表したように、第２の実施形態に係る半導体発光素子１２０は、第１の実施形態に関して説明した第１電極層５０、第２電極層６０、第１半導体層１０、第２半導体層２０、発光層３０及び第１中間層４０に加え、第２中間層８０をさらに含む。第１電極層５０、第２電極層６０、第１半導体層１０、第２半導体層２０、発光層３０及び第１中間層４０に関しては既に説明したのと同様の構成を適用できるので、説明を省略する。
【００５６】
第２中間層８０は、第１電極層５０と第１半導体層１０との間に設けられる。第２中間層８０は、第２コンタクト部８１と、第２非コンタクト部８２と、を含む。第２コンタクト部８１は、積層方向（Ｚ軸方向）に対して平行な平面に射影したときに、複数の第１コンタクト部４１と重なる部分を有する。第２コンタクト部８１は、第１半導体層１０と第１電極層５０とを電気的にコンタクトさせる。第２非コンタクト部８２は、積層方向に対して垂直な第２平面８０ａ内（Ｘ−Ｙ平面内）において第２コンタクト部８１と並置される。第２平面８０ａは、例えば、第２中間層８０と第１電極層５０との間の界面である。第２非コンタクト部８２は、第１電極層５０と第１半導体層１０との間の電気抵抗を第２コンタクト部８１よりも高くする。
【００５７】
すなわち、半導体発光素子１２０においては、例えば、ｐ側の第１コンタクト部４１に対向する位置に、ｎ側の第２コンタクト部８１が設けられる。例えば、第２コンタクト部８１は、Ｚ軸方向に沿って第１コンタクト部４１と対向する。ｎ側の第２中間層８０において、第１コンタクト部４１の上方に第２コンタクト部８１によるコンタクト領域を設け、それ以外の領域を第２非コンタクト部８２（非コンタクト領域）とする。
【００５８】
これにより、電流狭窄の効果がより高まる。これにより、より低電圧で、より高輝度の半導体発光素子を得ることができる。
【００５９】
半導体発光素子１２０においては、ｎ側の電流拡散層１２の電流広がりを抑制するため、電流拡散層１２のシート抵抗を大きく設定することできる。これにより、電流をＺ軸方向に沿って実質的に直線的に流すことができ、電流密度を効果的に上げることが可能になる。さらに、余分な抵抗損は発生しないため、低い順方向電圧Ｖｆを維持できる。
【００６０】
なお、図５に示した例では、Ｘ−Ｙ平面において連続的なｎ側コンタクト層１３が設けられているが、ｎ側コンタクト層１３は部分的に設けても良い。例えば、電流拡散層１２の上に、部分的にｎ側コンタクト層１３となる層を設け、そのｎ側コンタクト層１３を第２コンタクト部８１として用い、ｎ側コンタクト層１３が設けられていない部分を第２非コンタクト部８２として用いても良い。この場合、部分的に設けられたｎ側コンタクト層１３以外の部分においては、例えば、電流拡散層１２と第１電極層５０とが接する。この領域の抵抗は、ｎ側コンタクト層１３が設けられた部分よりも高く、第２非コンタクト部８２として機能する。例えば、第１半導体層１０と第１電極層５０とが接する界面部分が第２非コンタクト部８２となる。
【００６１】
すなわち、第１半導体層１０は、Ｚ軸方向に対して平行な平面に射影したときに複数の第１コンタクト部４１と重なる部分を有する第２コンタクト部（部分的に設けられたｎ側コンタクト層１３）と、Ｘ−Ｙ平面内において第２コンタクト部と並置され第１電極層５０と第１半導体層１０との間の電気抵抗を第２コンタクト部よりも高くする第２非コンタクト部（ｎ側コンタクト層１３が設けられていない部分）と、を含むことができる。
【００６２】
また、第２非コンタクト部８２として、第１半導体層１０とは別に、例えば、ＳｉＯ２などの絶縁層を設けても良い。
【００６３】
半導体発光素子１２０においても、電流拡散層１２のシート抵抗がある程度高いと電流の広がりを抑制できて電流密度を高めることが可能となる。そのため、電流拡散層１２の厚さは、例えば１０ｎｍ以上５μｍ以下に設定されることが好ましい。または、電流拡散層１２の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１μｍ以下に設定されることが好ましい。
【００６４】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の例として、半導体発光素子１２０の製造方法の１つの例について説明する。
【００６５】
図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的図である。
図６（ａ）に表したように、ｐ側電極７１、支持基板７０、第２電極層６０、第１中間層４０（光透過導電層４１ａ、第１コンタクト部４１及び第１非コンタクト部４２）、第２半導体層２０（ｐ側コンタクト層２２及び第２クラッド層２１）、発光層３０、及び、第１半導体層１０（第１クラッド層１１、電流拡散層１２及びｎ側コンタクト層１３）の積層体を形成する。この例では、支持基板７０としてｐ形シリコンを用い、第２電極層６０としてＡｇを用い、光透過導電層４１ａとしてＩＴＯを用い、第１コンタクト部４１としてＩＴＯを用い、第１非コンタクト部４２としてＳｉＯ２を用い、ｐ側コンタクト層２２としてｐ形のＧａＰを用い、第２クラッド層２１としてｐ形のＩｎＡｌＰを用い、発光層３０としてＩｎＧａＰを用い、第１クラッド層１１としてｎ形のＩｎＡｌＰを用い、電流拡散層１２としてｎ形のＩｎＧａＡｌＰ層を用いる。ｎ側コンタクト層として、１０ｎｍのｎ形のＧａＰ層が用いられている。
【００６６】
ｎ側コンタクト層１３（ｎ形のＧａＰ層）の上にｉ線用レジスト膜を形成して、露光、現像してドット状のレジストパターン８０ｒを形成する。このドット状のレジストパターンは、第１非コンタクト部４２（ＳｉＯ２）のパターンと、少なくとも一部が重なっている。
【００６７】
図６（ｂ）に表したように、レジストパターン８０ｒをマスクとして用い、レジストパターン８０ｒに覆われていない部分のｎ側コンタクト層１３（ｎ形のＧａＰ層）を、エッチャントによって除去する。除去後、レジストパターン８０ｒを有機溶媒によって除去する。これにより、第２コンタクト部８１（ＧａＰのドットパターン）が形成される。
【００６８】
図６（ｃ）に表したように、第１コンタクト部８１及び第１半導体層１０の上に、第１電極層５０となる金属膜５０ｆ（例えばＡｇ膜）を４０ｎｍの厚さで蒸着法により形成する。第１コンタクト部８１が設けられず、第１半導体層１０と第１電極層５０（金属膜５０ｆ）とが接する界面部分が第２非コンタクト部８２となる。
【００６９】
図６（ｄ）に表したように、金属膜５０ｆ（Ａｇ膜）の上に電子線用のレジスト膜（例えば、富士フイルム株式会社製：商品名ＦＥＰ−３０１）を３００ｎｍの厚さで形成する。そして、パターンジェネレータを装備した５０ｋＶの加速電圧を持つ電子線露光装置で、開口径が１００ｎｍで２００ｎｍの間隔を有するレジスト開口部５０ｑをレジスト膜に形成する。これによりレジスト開口部５０ｑを有するレジスト層５０ｒが形成される。
【００７０】
図６（ｅ）に表したように、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００ボルト（Ｖ）、イオン電流４０ミリアンペア（ｍＡ）の条件で７０秒間、金属膜５０ｆ（Ａｇ膜）のエッチングを行う。これにより、開口部５２ｏ（貫通孔５２）が形成される。これにより、開口部５２ｏ（貫通孔５２）を有する金属部５１、すなわち、第１電極層５０が形成される。エッチング後、レジスト層５０ｒを除去するために有機溶媒で洗浄する。
【００７１】
図６（ｆ）に表したように、ｎ側パッド電極５５を形成する。ダイシングによって、切断する。これにより、半導体発光素子１２０が得られる。半導体発光素子１２０のサイズは、例えば３００μｍ角である。
【００７２】
半導体発光素子１２０においては、電流値が５０ｍＡの場合の順方向電圧Ｖｆは、半導体発光素子１９１の順方向電圧Ｖｆよりも、例えば、約０．２Ｖ低い。
【００７３】
実施形態において、発光層３０は、例えば、障壁層および井戸層が交互に繰り返し設けられたＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構成を有することができる。また、発光層３０は、井戸層を挟む障壁層の組みが１組み設けられたＳＱＷ（Single Quantum Well）構成を有することができる。
【００７４】
第１半導体層１０、第２半導体層２０及び発光層３０には、例えば、窒化物半導体を用いても良い。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００７５】
実施形態によれば、低電圧で高輝度の半導体発光素子が提供される。
【００７６】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる第１電極層、第２電極層、第１半導体層、第２半導体層、発光層、第１中間層、第２中間層及び支持基板などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【００７７】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００７８】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００７９】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００８０】
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】
【００８１】
１０…第１半導体層、 １１…第１クラッド層、 １２…電流拡散層、 １３…ｎ側コンタクト層、 ２０…第２半導体層、 ２１…第２クラッド層、 ２２…ｐ側コンタクト層、 ３０…発光層、 ４０…第１中間層、 ４０ａ…第１平面、 ４１…第１コンタクト部、 ４１ａ…光透過導電層、 ４２…第２非コンタクト部、 ５０…第１電極層、 ５０ｆ…金属膜、 ５０ｑ…レジスト開口部、 ５０ｒ…レジスト層、 ５１…金属部、 ５２…貫通孔、 ５２ｏ…開口部、 ５５…ｎ側パッド電極、 ５６…細線電極、 ６０…第２電極層、 ７０…支持基板、 ７１…ｐ側電極、 ８０…第２中間層、 ８０ａ…第２平面、 ８０ｒ…レジストパターン、 ８１…第２コンタクト部、 ８２…第２非コンタクト部、 １１０、１２０、１９１、１９２…半導体発光素子、 Ｉ１、Ｉ２…電流経路、 Ｉｃ…電流、 Ｖｆ…順方向電圧
【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】
ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子において、高い輝度と共に低い順方向電圧が望まれる。Thin film型の構造のＬＥＤにおいて、ドット状の電極を設け、これにより電流密度を上げることで高輝度を得ようとする構成がある。しかしながら、高輝度と低順方向電圧とを得るためには改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６７８４４６２Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、低電圧で高輝度の半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、第１電極層と、第２電極層と、第１半導体層と、第２半導体層と、発光層と、第１中間層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記第１電極層は、金属部を有する。前記金属部には、円相当直径が１０ナノメートル以上５マイクロメートル以下の開口部を有する複数の貫通孔が設けられている。前記第２電極層は、前記第１電極層と積層され、光反射性である。前記第１半導体層は、前記第１電極層と前記第２電極層との間に設けられ、第１導電形である。前記第２半導体層は、前記第１半導体層と前記第２電極層との間に設けられ、前記第１導電形とは異なる第２導電形である。前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第２半導体層と前記第２電極層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記発光層から放出される光に対して透過性を有する。前記第１中間層は、複数の第１コンタクト部と、第１非コンタクト部と、を含む。前記複数の第１コンタクト部は、前記第２電極層と前記第２半導体層とを電気的にコンタクトさせる。前記第１非コンタクト部は、前記第２電極層から前記第１電極層に向かう積層方向に対して垂直な第１平面内において前記複数の第１コンタクト部と並置され、前記第２電極層と前記第２半導体層との間の電気抵抗を前記第１コンタクト部よりも高くする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的斜視図である。
【図３】参考例の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図４】半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図５】第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順模式的図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
図１（ｂ）は、透視平面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線断面図である。
【０００９】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１電極層５０と、第２電極層６０と、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光層３０と、第１中間層４０と、を含む。
【００１０】
第１電極層５０は、金属部５１を有する。金属部５１には、複数の貫通孔５２が設けられている。第１電極層５０の例については後述する。図１（ｂ）においては、図を見やすくするために、貫通孔５２は省略されている。
【００１１】
第２電極層６０は、第１電極層５０と積層される。本願明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。
【００１２】
第２電極層６０は、光反射性である。第２電極層６０は、発光層３０から放出される光に対して反射性を有する。
【００１３】
ここで、第２電極層６０から第１電極層５０に向かう方向を積層方向とする。積層方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１４】
例えば、第１電極層５０は、Ｘ−Ｙ平面に対して平行な層面を有する。例えば、第２電極層６０は、Ｘ−Ｙ平面に対して平行な層面を有する。
【００１５】
第１半導体層１０は、第１電極層５０と第２電極層６０との間に設けられる。第１半導体層１０は、第１導電形を有する。
【００１６】
第２半導体層２０は、第１半導体層１０と第２電極層６０との間に設けられる。第２半導体層２０は、第２導電形を有する。第２導電形は、第１導電形とは異なる導電形である。
【００１７】
例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形である場合として説明する。
【００１８】
発光層３０は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。発光層３０の構成の例については後述する。
【００１９】
第１中間層４０は、第２半導体層２０と第２電極層６０との間に設けられる。第１中間層４０は、発光層３０から放出される光に対して透過性を有する。第１中間層４０は、複数の第１コンタクト部４１と、第１非コンタクト部４２と、を有する。複数の第１コンタクト部４１のそれぞれは、第２電極層６０と第２半導体層２０とを電気的にコンタクトさせる。第１非コンタクト部４２は、積層方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な第１平面４０ａ内（Ｘ−Ｙ平面内）において、複数の第１コンタクト部４１と並置される。第１平面４０ａは、例えば、第１中間層４０と第２半導体層２０との間の界面である。第１非コンタクト部４２は、第２電極層６０と第２半導体層２０との間の電気抵抗を、第１コンタクト部４１よりも高くする。
これにより、低電圧で高輝度の半導体発光素子を提供することができる。
【００２０】
この例では、第２電極層６０は、支持基板７０の上に設けられる。本願明細書において、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に他の層が挿入されて設けられる場合も含む。
【００２１】
支持基板７０の下面に、ｐ側電極７１が設けられている。すなわち、ｐ側電極７１と第２電極層６０との間に支持基板７０が配置されている。ｐ側電極７１は、支持基板７０とオーミック接触している。支持基板７０には、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましい。支持基板７０には、例えば、半導体または金属を用いることができる。支持基板７０には、例えばシリコンを用いることができる。さらに具体的には、支持基板７０には、例えばｐ形のシリコン基板などが用いられる。
【００２２】
第２電極層６０は、支持基板７０とオーミック接触している。第２電極層６０には、発光層３０の発光波長に対して高反射率の材料を用いることが好ましい。第２電極層６０には、Ａｕ、Ａｇ及びＡｌ、または、Ａｕ、Ａｇ及びＡｌの少なくともいずれかを主成分とする合金を用いることが好ましい。第２電極層６０として、例えばＡｇ層が用いられる。第２電極層６０の厚さは、例えば、約２００ナノメートル（ｎｍ）である。
【００２３】
第２電極層６０の上に、第１中間層４０の一部となる例えば光透過導電層４１ａが設けられている。光透過導電層４１ａには、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などが用いられる。光透過導電層４１ａの厚さは、例えば、約１５０ｎｍである。
【００２４】
光透過導電層４１ａの上面に、第１非コンタクト部４２となる絶縁層が設けられている。この絶縁層には、例えば、ＳｉＯ２などが用いられる。この絶縁層に、例えばドット状の複数の開口部が設けられており、この開口部において、光透過導電層４１ａが露出している。開口部に露出している光透過導電層４１ａが、複数の第１コンタクト部４１となる。
【００２５】
この例では、第１非コンタクト部４２と第２電極層６０との間に、光透過導電層４１ａの一部が設けられているが、実施形態はこれに限らない。第１非コンタクト部４２は第２電極層６０と接していても良い。第１中間層４０において、Ｘ−Ｙ平面内において複数の第１コンタクト部と第１非コンタクト部とが並置されていれば、他の構成は任意である。
【００２６】
実施形態において、第１コンタクト部４１には、半導体または透明導電性材料を用いることができる。第１非コンタクト部４２には、例えば、不純物濃度の低い半導体、または、絶縁性材料を用いることができる。例えば、上記のように、第１コンタクト部４１としてＩＴＯを用い第１非コンタクト部４２としてＳｉＯ２を用いる。
【００２７】
第１中間層４０の上に、例えば、ｐ側コンタクト層２２となるｐ形のＧａＰ層が設けられる。ｐ側コンタクト層２２の厚さは、例えば、１００ｎｍである。ｐ側コンタクト層２２の上に、例えば、第２クラッド層２１となるｐ形のＩｎＡｌＰ層が設けられる。ｐ側コンタクト層２２及び第２クラッド層２１は、第２半導体層２０に含まれる。
【００２８】
第２半導体層２０の上に、発光層３０が設けられる。発光層３０には、例えば、ＩｎＧａＰ層が用いられる。
【００２９】
発光層３０の上に、第１クラッド層１１となるｎ形のＩｎＡｌＰ層が設けられる。このように、ｐ側コンタクト層２２の上に、第２クラッド層２１（ｐ形のＩｎＡｌＰ層）、発光層３０（ＩｎＧａＰ層）、及び、第１クラッド層１１（ｎ形のＩｎＡｌＰ層）を含むヘテロ構造が設けられる。
【００３０】
第１クラッド層１１の上に、電流拡散層１２が設けられている。電流拡散層１２には、例えば、ｎ形のＩｎＧａＡｌＰの４元元素の層が用いられる。電流拡散層１２は、第１クラッド層１１の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する。
【００３１】
電流拡散層１２の上に、ｎ側コンタクト層１３となる、例えば、ｎ形のＧａＰ層が設けられている。ｎ側コンタクト層１３には、例えば、ｎ形のＧａＡｓなどを用いても良い。
【００３２】
ｎ側コンタクト層１３の上に、第１電極層５０が設けられる。
このように、第１半導体層１０は、第１クラッド層１１と、電流拡散層１２と、を含む。電流拡散層１２は、第１クラッド層１１と第１電極層５０との間に設けられる。第１半導体層１０は、電流拡散層１２と第２電極層５０との間に設けられたｎ側コンタクト層１３をさらに含んでも良い。
【００３３】
この例では、発光層３０から放出される光のピーク波長は、例えば約６３５ｎｍである。ただし、実施形態において、発光層３０から放出される光のピーク波長は、任意である。
【００３４】
第１電極層５０の一部の上にｎ側パッド電極５５が設けられている。なお、積層方向（Ｚ軸方向）に見たときに、第１非コンタクト部４２（例えば、ＳｉＯ２層）は、ｎ側パッド電極５５と重なる部分を有している。
【００３５】
図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
図２に表したように、第１電極層５０は、金属部５１を有する。金属部５１には、複数の貫通孔５２が設けられている。貫通孔５２は、金属部５１をＺ軸方向に沿って貫通している。貫通孔５２は、開口部５２ｏを有する。開口部５２ｏの円相当直径は、１０ｎｍ以上５マイクロメートル（μｍ）以下である。
【００３６】
開口部５２ｏをＺ軸方向に沿ってみたときの面積をＳとすると、円相当直径は、２×（Ｓ／π）１／２ で表される（ここで、πは円周率である）。
【００３７】
実施形態において、開口部５２ｏをＸ−Ｙ平面で切断したときの形状は、円形、扁平円形、多角形、角が丸い多角形など、任意である。開口部５２ｏの形状が円形でない場合は、上記の円相当直径の定義を用いて開口部５２ｏを規定する。
【００３８】
第１電極層５０（金属部５１）は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＴｉの少なくとも１つを含む。金属部５１にこのような金属を用いることで、ＩＴＯなどの酸化物透明電極と比較して１桁から２桁以上高い導電率が得られる。また、第１電極層５０においては、高い熱伝導性も得られる。そして、第１電極層５０の金属部５１には、円相当直径が１０ｎｍ以上５μｍ以下の開口部５２ｏを有する貫通孔５２が設けられている。これにより、第１電極層５０は、光透過性である。このような構成を便宜的にメッシュ電極ということにする。
【００３９】
第１電極層５０の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより、高い導電率と、高い光透過率とが得られ、貫通孔５２の良好な加工特性が得られる。
【００４０】
例えば、第１電極層５０のシート抵抗は、１０（Ω／□：オーム／square）以下とすることができる。上記の構成により、このような低いシート抵抗が実現できる。
【００４１】
また、第１電極層５０のＺ軸方向に沿ってみたときの面積は、１平方ミリメートル（ｍｍ２）以上とすることができる。上記の構成により、このような広い面積においても、高い導電率と、高い光透過率とを得ることができる。
【００４２】
第１電極層５０と第２電極層６０との間（ｎ側パッド電極５５とｐ側電極７１との間）に所定の電圧を印加することで、発光層３０から光が放出される。この光は、主として第１電極層５０の側から外部に放出される。すなわち、光の一部は、第１半導体層１０及び第１電極層５０を介して、外部に出射する。光の別の一部は、反射性の第２電極層６０で反射し、第２半導体層２０、発光層３０、第１半導体層１０及び第１電極層５０を介して外部に出射する。このように、半導体発光素子１１０においては、第１電極層５０が形成された面が、主たる発光面として利用される。
【００４３】
実施形態においては、第１中間層４０において、複数の第１コンタクト部４１と、第１非コンタクト部４２と、が設けられることで、第１電極層５０と第２電極層６０とを流れる電流が狭窄される。
【００４４】
図１（ａ）に表したように、第１電極層５０と第２電極層６０とを流れる電流は、非コンタクト部４２を通過せず、複数の第１コンタクト部４１を通る電流経路Ｉ１を流れる。このため、電流密度が上昇する。電流密度が上昇することで高い輝度が得られる。
【００４５】
第１電極層５０の高い導電率により、第１電極層５０内でＸ−Ｙ平面で十分に広がって電流が流れ、第１電極層５０から第２電極層６０に向けてほぼＺ軸方向に沿う電流経路Ｉ１に沿って電流が流れる。第１電極層５０により、電流をＸ−Ｙ平面内で十分に均一に広げることができるため、例えば、電流拡散層１２を薄く設定することが可能でなる。これにより、例えば順方向電圧の上昇などの悪影響を発生させることなく、複数の第１コンタクト部４１における電流狭窄効果により電流密度を高めることができる。
このように、半導体発光素子１１０によれば、低電圧で高輝度の半導体発光素子が提供できる。
【００４６】
図３は、参考例の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、第１参考例の半導体発光素子１９１においては、第１電極層５０（メッシュ電極）が設けられていない。そして、第１半導体層１０（この例ではｎ側コンタクト層１３）の上に細線電極５６が設けられている。図３では図示していないが、細線電極５６は、ｎ側パッド電極５５と接続されている。この例では、Ｚ軸方向に沿ってみたときに、複数の第１コンタクト部４１は、細線電極５６と重なっていない。
【００４７】
また、図３に例示した構成において、非コンタクト部４２を設けない構成を第２参考例の半導体発光素子１９２とする。この構成においては、ドット状の複数の第１コンタクト部４１が設けられず、第２半導体層２０の全面が第２電極層６０と電気的にコンタクトする。
【００４８】
このような構成を有する第１参考例の半導体発光素子１９１においては、ドット状の第１コンタクト部４１を設けることで、電流経路Ｉ２で示したように、電流が狭窄される。これにより、第１参考例の半導体発光素子１９１においては、第２参考例の半導体発光素子１９２に比べて、電流密度が増加する。これにより効率が上昇する。しかしながら、この構成においては、細線電極５６の直下に第１コンタクト部４１が設けられていないため、抵抗損が発生する。このため、順方向電圧が上昇してしまう。
【００４９】
図４は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図４には、実施形態に係る半導体発光素子１１０、第１参考例の半導体発光素子１９１、及び、第２参考例の半導体発光素子１９２の特性が例示されている。図４の横軸は、順方向電圧Ｖｆである。縦軸は、電流Ｉｃである。
【００５０】
図４に表したように、半導体発光素子１９１においては、半導体発光素子１９２よりも順方向電圧Ｖｆが上昇する。これは、上記のように、細線電極５６の直下に第１コンタクト部４１が設けられていないため、抵抗損が発生するためである。
【００５１】
これに対して、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、順方向電圧Ｖｆは、上昇しない。例えば、半導体発光素子１１０における順方向電圧Ｖｆは、半導体発光素子１９２よりも低くできる。そして、電流狭窄の効果も大きく、より効率が向上し、高輝度の発光が得られる。
【００５２】
すなわち、図１に関して既に説明したように、第１電極層５０内でＸ−Ｙ平面に十分に広がって電流が流れ、電流はほぼＺ軸方向に沿う電流経路Ｉ１に沿って電流が流れるため、順方向電圧Ｖｆが上昇しない。
半導体発光素子１１０によれば、低電圧で高輝度の半導体発光素子が提供できる。
【００５３】
半導体発光素子１１０において、電流拡散層１２のドーピング濃度にもよるが、電流拡散層１２のシート抵抗がある程度高いと電流の広がりを抑制できて電流密度を高めることが可能となる。そのため、ｎ側の電流拡散層１２の厚さは、５μｍ以下が好ましい。また、電流拡散層１２が薄いほうが電流の広がりをより抑えられるため１μｍ以下がより好ましい。電流拡散層１２の厚さが薄すぎると電流をうまく注入できないため１０ｎｍ以上が好ましい。
【００５４】
このように、本実施形態において、第１半導体層１０が、第１クラッド層１１と電流拡散層１２とを含む場合、電流拡散層１２の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上５μｍ以下に設定される。または、電流拡散層１２の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１μｍ以下に設定される。ｎ側の電流拡散層１２のシート抵抗は、例えば、１０２Ω／□以上１０６Ω／□以下とすることができる。
【００５５】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図５は、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線断面に相当する断面図である。
図５に表したように、第２の実施形態に係る半導体発光素子１２０は、第１の実施形態に関して説明した第１電極層５０、第２電極層６０、第１半導体層１０、第２半導体層２０、発光層３０及び第１中間層４０に加え、第２中間層８０をさらに含む。第１電極層５０、第２電極層６０、第１半導体層１０、第２半導体層２０、発光層３０及び第１中間層４０に関しては既に説明したのと同様の構成を適用できるので、説明を省略する。
【００５６】
第２中間層８０は、第１電極層５０と第１半導体層１０との間に設けられる。第２中間層８０は、第２コンタクト部８１と、第２非コンタクト部８２と、を含む。第２コンタクト部８１は、積層方向（Ｚ軸方向）に対して平行な平面に射影したときに、複数の第１コンタクト部４１と重なる部分を有する。第２コンタクト部８１は、第１半導体層１０と第１電極層５０とを電気的にコンタクトさせる。第２非コンタクト部８２は、積層方向に対して垂直な第２平面８０ａ内（Ｘ−Ｙ平面内）において第２コンタクト部８１と並置される。第２平面８０ａは、例えば、第２中間層８０と第１電極層５０との間の界面である。第２非コンタクト部８２は、第１電極層５０と第１半導体層１０との間の電気抵抗を第２コンタクト部８１よりも高くする。
【００５７】
すなわち、半導体発光素子１２０においては、例えば、ｐ側の第１コンタクト部４１に対向する位置に、ｎ側の第２コンタクト部８１が設けられる。例えば、第２コンタクト部８１は、Ｚ軸方向に沿って第１コンタクト部４１と対向する。ｎ側の第２中間層８０において、第１コンタクト部４１の上方に第２コンタクト部８１によるコンタクト領域を設け、それ以外の領域を第２非コンタクト部８２（非コンタクト領域）とする。
【００５８】
これにより、電流狭窄の効果がより高まる。これにより、より低電圧で、より高輝度の半導体発光素子を得ることができる。
【００５９】
半導体発光素子１２０においては、ｎ側の電流拡散層１２の電流広がりを抑制するため、電流拡散層１２のシート抵抗を大きく設定することできる。これにより、電流をＺ軸方向に沿って実質的に直線的に流すことができ、電流密度を効果的に上げることが可能になる。さらに、余分な抵抗損は発生しないため、低い順方向電圧Ｖｆを維持できる。
【００６０】
なお、図５に示した例では、Ｘ−Ｙ平面において連続的なｎ側コンタクト層１３が設けられているが、ｎ側コンタクト層１３は部分的に設けても良い。例えば、電流拡散層１２の上に、部分的にｎ側コンタクト層１３となる層を設け、そのｎ側コンタクト層１３を第２コンタクト部８１として用い、ｎ側コンタクト層１３が設けられていない部分を第２非コンタクト部８２として用いても良い。この場合、部分的に設けられたｎ側コンタクト層１３以外の部分においては、例えば、電流拡散層１２と第１電極層５０とが接する。この領域の抵抗は、ｎ側コンタクト層１３が設けられた部分よりも高く、第２非コンタクト部８２として機能する。例えば、第１半導体層１０と第１電極層５０とが接する界面部分が第２非コンタクト部８２となる。
【００６１】
すなわち、第１半導体層１０は、Ｚ軸方向に対して平行な平面に射影したときに複数の第１コンタクト部４１と重なる部分を有する第２コンタクト部（部分的に設けられたｎ側コンタクト層１３）と、Ｘ−Ｙ平面内において第２コンタクト部と並置され第１電極層５０と第１半導体層１０との間の電気抵抗を第２コンタクト部よりも高くする第２非コンタクト部（ｎ側コンタクト層１３が設けられていない部分）と、を含むことができる。
【００６２】
また、第２非コンタクト部８２として、第１半導体層１０とは別に、例えば、ＳｉＯ２などの絶縁層を設けても良い。
【００６３】
半導体発光素子１２０においても、電流拡散層１２のシート抵抗がある程度高いと電流の広がりを抑制できて電流密度を高めることが可能となる。そのため、電流拡散層１２の厚さは、例えば１０ｎｍ以上５μｍ以下に設定されることが好ましい。または、電流拡散層１２の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１μｍ以下に設定されることが好ましい。
【００６４】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の例として、半導体発光素子１２０の製造方法の１つの例について説明する。
【００６５】
図６（ａ）〜図６（ｆ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的図である。
図６（ａ）に表したように、ｐ側電極７１、支持基板７０、第２電極層６０、第１中間層４０（光透過導電層４１ａ、第１コンタクト部４１及び第１非コンタクト部４２）、第２半導体層２０（ｐ側コンタクト層２２及び第２クラッド層２１）、発光層３０、及び、第１半導体層１０（第１クラッド層１１、電流拡散層１２及びｎ側コンタクト層１３）の積層体を形成する。この例では、支持基板７０としてｐ形シリコンを用い、第２電極層６０としてＡｇを用い、光透過導電層４１ａとしてＩＴＯを用い、第１コンタクト部４１としてＩＴＯを用い、第１非コンタクト部４２としてＳｉＯ２を用い、ｐ側コンタクト層２２としてｐ形のＧａＰを用い、第２クラッド層２１としてｐ形のＩｎＡｌＰを用い、発光層３０としてＩｎＧａＰを用い、第１クラッド層１１としてｎ形のＩｎＡｌＰを用い、電流拡散層１２としてｎ形のＩｎＧａＡｌＰ層を用いる。ｎ側コンタクト層として、１０ｎｍのｎ形のＧａＰ層が用いられている。
【００６６】
ｎ側コンタクト層１３（ｎ形のＧａＰ層）の上にｉ線用レジスト膜を形成して、露光、現像してドット状のレジストパターン８０ｒを形成する。このドット状のレジストパターンは、第１非コンタクト部４２（ＳｉＯ２）のパターンと、少なくとも一部が重なっている。
【００６７】
図６（ｂ）に表したように、レジストパターン８０ｒをマスクとして用い、レジストパターン８０ｒに覆われていない部分のｎ側コンタクト層１３（ｎ形のＧａＰ層）を、エッチャントによって除去する。除去後、レジストパターン８０ｒを有機溶媒によって除去する。これにより、第２コンタクト部８１（ＧａＰのドットパターン）が形成される。
【００６８】
図６（ｃ）に表したように、第１コンタクト部８１及び第１半導体層１０の上に、第１電極層５０となる金属膜５０ｆ（例えばＡｇ膜）を４０ｎｍの厚さで蒸着法により形成する。第１コンタクト部８１が設けられず、第１半導体層１０と第１電極層５０（金属膜５０ｆ）とが接する界面部分が第２非コンタクト部８２となる。
【００６９】
図６（ｄ）に表したように、金属膜５０ｆ（Ａｇ膜）の上に電子線用のレジスト膜（例えば、富士フイルム株式会社製：商品名ＦＥＰ−３０１）を３００ｎｍの厚さで形成する。そして、パターンジェネレータを装備した５０ｋＶの加速電圧を持つ電子線露光装置で、開口径が１００ｎｍで２００ｎｍの間隔を有するレジスト開口部５０ｑをレジスト膜に形成する。これによりレジスト開口部５０ｑを有するレジスト層５０ｒが形成される。
【００７０】
図６（ｅ）に表したように、イオンミリング装置を用いて、加速電圧５００ボルト（Ｖ）、イオン電流４０ミリアンペア（ｍＡ）の条件で７０秒間、金属膜５０ｆ（Ａｇ膜）のエッチングを行う。これにより、開口部５２ｏ（貫通孔５２）が形成される。これにより、開口部５２ｏ（貫通孔５２）を有する金属部５１、すなわち、第１電極層５０が形成される。エッチング後、レジスト層５０ｒを除去するために有機溶媒で洗浄する。
【００７１】
図６（ｆ）に表したように、ｎ側パッド電極５５を形成する。ダイシングによって、切断する。これにより、半導体発光素子１２０が得られる。半導体発光素子１２０のサイズは、例えば３００μｍ角である。
【００７２】
半導体発光素子１２０においては、電流値が５０ｍＡの場合の順方向電圧Ｖｆは、半導体発光素子１９１の順方向電圧Ｖｆよりも、例えば、約０．２Ｖ低い。
【００７３】
実施形態において、発光層３０は、例えば、障壁層および井戸層が交互に繰り返し設けられたＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構成を有することができる。また、発光層３０は、井戸層を挟む障壁層の組みが１組み設けられたＳＱＷ（Single Quantum Well）構成を有することができる。
【００７４】
第１半導体層１０、第２半導体層２０及び発光層３０には、例えば、窒化物半導体を用いても良い。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電型などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００７５】
実施形態によれば、低電圧で高輝度の半導体発光素子が提供される。
【００７６】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる第１電極層、第２電極層、第１半導体層、第２半導体層、発光層、第１中間層、第２中間層及び支持基板などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【００７７】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００７８】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００７９】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００８０】
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】
【００８１】
１０…第１半導体層、 １１…第１クラッド層、 １２…電流拡散層、 １３…ｎ側コンタクト層、 ２０…第２半導体層、 ２１…第２クラッド層、 ２２…ｐ側コンタクト層、 ３０…発光層、 ４０…第１中間層、 ４０ａ…第１平面、 ４１…第１コンタクト部、 ４１ａ…光透過導電層、 ４２…第２非コンタクト部、 ５０…第１電極層、 ５０ｆ…金属膜、 ５０ｑ…レジスト開口部、 ５０ｒ…レジスト層、 ５１…金属部、 ５２…貫通孔、 ５２ｏ…開口部、 ５５…ｎ側パッド電極、 ５６…細線電極、 ６０…第２電極層、 ７０…支持基板、 ７１…ｐ側電極、 ８０…第２中間層、 ８０ａ…第２平面、 ８０ｒ…レジストパターン、 ８１…第２コンタクト部、 ８２…第２非コンタクト部、 １１０、１２０、１９１、１９２…半導体発光素子、 Ｉ１、Ｉ２…電流経路、 Ｉｃ…電流、 Ｖｆ…順方向電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円相当直径が１０ナノメートル以上５マイクロメートル以下の開口部を有する複数の貫通孔が設けられた金属部を有する第１電極層と、
前記第１電極層と積層された光反射性の第２電極層と、
前記第１電極層と前記第２電極層との間に設けられ第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２電極層との間に設けられ前記第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第２半導体層と前記第２電極層との間に設けられ前記発光層から放出される光に対して透過性を有する第１中間層であって、
前記第２電極層と前記第２半導体層とを電気的にコンタクトさせる複数の第１コンタクト部と、
前記第２電極層から前記第１電極層に向かう積層方向に対して垂直な第１平面内において前記複数の第１コンタクト部と並置され前記第２電極層と前記第２半導体層との間の電気抵抗を前記第１コンタクト部よりも高くする第１非コンタクト部と、
を有する第１中間層と、
を備えた半導体発光素子。
【請求項２】
前記第第１半導体層は、
前記積層方向に対して平行な平面に射影したときに、前記複数の第１コンタクト部と重なる部分を有する第２コンタクト部と、
前記積層方向に対して垂直な第２平面内において前記第２コンタクト部と並置され前記第１電極層と前記第１半導体層との間の電気抵抗を前記第２コンタクト部よりも高くする第２非コンタクト部と、
を含む請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１電極層と前記第１半導体層との間に設けられた第２中間層をさらに備え、
前記第２中間層は、
前記積層方向に対して平行な平面に射影したときに、前記複数の第１コンタクト部と重なる部分を有する第２コンタクト部と、
前記積層方向に対して垂直な第２平面内において前記第２コンタクト部と並置され前記第１電極層と前記第１半導体層との間の電気抵抗を前記第２コンタクト部よりも高くする第２非コンタクト部と、
を含む請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１半導体層は、
第１クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記第１電極層との間に設けられ前記第１クラッド層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する電流拡散層と、
を含み、
前記電流拡散層の厚さは、１０ナノメートル以上５マイクロメートル以下である請求項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１半導体層は、
第１クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記第１電極層との間に設けられ前記第１クラッド層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する電流拡散層と、
を含み、
前記電流拡散層の厚さは、１０ナノメートル以上１マイクロメートル以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１電極層は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＴｉの少なくとも１つを含む請求項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電極層の厚さは、１０ナノメートル以上５０ナノメートル以下である請求項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電極層の前記積層方向に沿ってみたときの面積は、１平方ミリメートル以上である請求項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電極層のシート抵抗は、１０オーム／□以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１】
円相当直径が１０ナノメートル以上５マイクロメートル以下の開口部を有する複数の貫通孔が設けられた金属部を有する第１電極層と、
前記第１電極層と積層された光反射性の第２電極層と、
前記第１電極層と前記第２電極層との間に設けられ第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２電極層との間に設けられ前記第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、
前記第２半導体層と前記第２電極層との間に設けられ前記発光層から放出される光に対して透過性を有する第１中間層であって、
前記第２電極層と前記第２半導体層とを電気的にコンタクトさせる複数の第１コンタクト部と、
前記第２電極層から前記第１電極層に向かう積層方向に対して垂直な第１平面内において前記複数の第１コンタクト部と並置され前記第２電極層と前記第２半導体層との間の電気抵抗を前記第１コンタクト部よりも高くする第１非コンタクト部と、
を有する第１中間層と、
を備えた半導体発光素子。
【請求項２】
前記第第１半導体層は、
前記積層方向に対して平行な平面に射影したときに、前記複数の第１コンタクト部と重なる部分を有する第２コンタクト部と、
前記積層方向に対して垂直な第２平面内において前記第２コンタクト部と並置され前記第１電極層と前記第１半導体層との間の電気抵抗を前記第２コンタクト部よりも高くする第２非コンタクト部と、
を含む請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１電極層と前記第１半導体層との間に設けられた第２中間層をさらに備え、
前記第２中間層は、
前記積層方向に対して平行な平面に射影したときに、前記複数の第１コンタクト部と重なる部分を有する第２コンタクト部と、
前記積層方向に対して垂直な第２平面内において前記第２コンタクト部と並置され前記第１電極層と前記第１半導体層との間の電気抵抗を前記第２コンタクト部よりも高くする第２非コンタクト部と、
を含む請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１半導体層は、
第１クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記第１電極層との間に設けられ前記第１クラッド層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する電流拡散層と、
を含み、
前記電流拡散層の厚さは、１０ナノメートル以上５マイクロメートル以下である請求項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１半導体層は、
第１クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記第１電極層との間に設けられ前記第１クラッド層の不純物濃度よりも低い不純物濃度を有する電流拡散層と、
を含み、
前記電流拡散層の厚さは、１０ナノメートル以上１マイクロメートル以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１電極層は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＴｉの少なくとも１つを含む請求項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電極層の厚さは、１０ナノメートル以上５０ナノメートル以下である請求項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電極層の前記積層方向に沿ってみたときの面積は、１平方ミリメートル以上である請求項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電極層のシート抵抗は、１０オーム／□以下である請求項１〜８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２０１３−６９９４１（Ｐ２０１３−６９９４１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０８２７９（Ｐ２０１１−２０８２７９）
【出願日】平成２３年９月２４日（２０１１．９．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２４日（２０１１．９．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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