窒化物系発光ダイオード素子および発光方法
【課題】活性領域で生じる熱を素子外部に効率的に逃すうえで好ましい構成を備えた窒化物系ＬＥＤを提供する。
【解決手段】
窒化物系発光ダイオード素子は、ｐ型層と、前記ｐ型層に積層されたｎ型層と、前記ｐ型層と前記ｎ型層とに挟まれた発光層と、を含む窒化物半導体積層体と、前記ｐ型層の表面上に設けられたｐ側電極と、前記ｎ型層に接続されたｎ側電極と、を備える。前記ｐ側電極は、前記ｐ型層との接触面を有するオーミック接触層と、前記ｐ型層とで前記オーミック接触層を挟むように設けられた熱伝導性メタル層とを有しており、前記窒化物半導体積層体の積層方向に直交する平面である素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積が、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積よりも大きい。
【解決手段】
窒化物系発光ダイオード素子は、ｐ型層と、前記ｐ型層に積層されたｎ型層と、前記ｐ型層と前記ｎ型層とに挟まれた発光層と、を含む窒化物半導体積層体と、前記ｐ型層の表面上に設けられたｐ側電極と、前記ｎ型層に接続されたｎ側電極と、を備える。前記ｐ側電極は、前記ｐ型層との接触面を有するオーミック接触層と、前記ｐ型層とで前記オーミック接触層を挟むように設けられた熱伝導性メタル層とを有しており、前記窒化物半導体積層体の積層方向に直交する平面である素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積が、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体で形成された発光構造を有する窒化物系発光ダイオード素子（以下、窒化物系ＬＥＤともいう）に関する。窒化物半導体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎなどの一般式で表される化合物半導体であり、III族窒化物半導体、窒化物系半導体、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体などとも呼ばれる。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮのような窒化物半導体を用いた半導体デバイスが実用化されている。代表的なデバイスは、窒化物半導体でダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造を構成した、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子である。特に、ｃ面サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長された発光構造を有する窒化物系ＬＥＤは、バックライトや照明のための光源として大量に生産されている。
【０００３】
ＧａＮ基板上に発光構造をホモエピタキシャル成長させることにより得られる窒化物系ＬＥＤは、発光構造中の結晶欠陥の密度が低いものとなるので、発光効率や寿命に優れたものとなると期待されている。
ｃ面を主面とするＧａＮ基板は、通常、欠陥集合領域を有している。例えば、ストライプコア基板と呼ばれるｃ面ＧａＮ基板は、平行直線状に形成された複数の欠陥集合領域を有している（特許文献１、特許文献２）。ストライプコア基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、エピタキシャル層中には、基板のストライプコアに対応して欠陥密度の高い部分が形成される。ＧａＮ基板を用いた発光デバイスでは、通常、エピタキシャル層中のこのような高欠陥密度部ではない部分に活性領域（発光が起こる領域）が設けられる（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３３５６４６号公報
【特許文献２】特開２００６−１９６６０９号公報
【特許文献３】特開２００９−２９５６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窒化物系ＬＥＤを用いた発光装置に対して、白熱電球、蛍光ランプ、水銀ランプなどの代替となる程度の高い出力が要求されるようになってきている。それに伴い、窒化物系ＬＥＤには大電流駆動したときの効率が良好であることが要求されるようになっている。
発光ダイオード素子の効率は、温度上昇とともに低下するのが普通であるから、上記の要求を充たすには、駆動時に活性領域で発生する熱を効率よく素子外部に逃がすことが重要となる。そこで、本発明の主たる目的は、活性領域で生じる熱を素子外部に効率的に逃すうえで好ましい構成を備えた窒化物系ＬＥＤ、および、かかる窒化物系ＬＥＤを用いた好ましい発光方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、次の構成を有する窒化物系発光ダイオード素子が提供される：
ｐ型層と、前記ｐ型層に積層されたｎ型層と、前記ｐ型層と前記ｎ型層とに挟まれた発光層と、を含む窒化物半導体積層体と、
前記ｐ型層の表面上に設けられたｐ側電極と、
前記ｎ型層に接続されたｎ側電極と、
を備える窒化物系発光ダイオード素子であって、
前記ｐ側電極は、前記ｐ型層との接触面を有するオーミック接触層と、前記ｐ型層とで前記オーミック接触層を挟むように設けられた熱伝導性メタル層とを有しており、
素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積が、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積よりも大きいことを特徴とする窒化物系発光ダイオード素子。
【０００７】
ここでいう「素子平面」とは、発光ダイオード素子の主要な構成要素である窒化物半導体層（ｎ型層、発光層、ｐ型層）に平行な平面（層の厚さ方向と直交する平面）をいう。
また、ここでいう「投影面積」とは、所定の平面に対する客体の正射影（該平面に対して垂直に投射される光が該客体によって遮られることにより該平面に形成される影）の面積をいう。従って、前記接触面が平面であるときには、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積は、前記接触面の面積に等しい。一方、前記接触面が凹凸面である場合には、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積は、前記接触面の面積よりも小さくなる。
【０００８】
前記オーミック接触層と接する部分における前記ｐ型層の表面の貫通転位密度は１×１０７ｃｍ−２未満であり得る。この場合、前記窒化物半導体積層体の、前記発光層から見て前記ｎ型層側には、ＧａＮ基板が接合されていてもよい。また、前記ｐ型層の表面に、前記オーミック接触層と接する部分に比べて表面の貫通転位密度が高い高転位密度部が存在していてもよく、その場合、前記熱伝導性メタル層が前記高転位密度部の少なくとも一部を覆っていることが好ましい。
【０００９】
好ましくは、前記ｐ型層の表面と前記熱伝導性メタル層との間に、絶縁膜が挿入されていてもよい。
好ましくは、前記絶縁膜は、前記ｐ型層より低い屈折率を有する透明薄膜である。
前記接触面と前記ｎ側電極とは素子平面に平行な方向に重なりを有していないことが好ましい。その場合、当該素子を平面視したときの、前記接触面上の任意の点から前記ｎ側電極までの距離は、好ましくは７５μｍ以内、より好ましくは５０μｍ以内である。
【００１０】
前記ｎ側電極は、前記窒化物半導体積層体から見て、前記ｐ側電極が形成された側とは反対側に配置されていてもよい。
好ましくは、前記素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積は、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積の１．５倍〜１０倍である。
好ましくは、前記熱伝導性メタル層の総厚みは、１μｍ〜１ｍｍである。
好ましくは、前記オーミック接触層は、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜であるか、または、白金族元素を含むメタル薄膜である。
前記オーミック接触層が、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜である場合、好ましくは、前記熱伝導性メタル層は前記オーミック接触層に接する部分に高反射層を有する。
【００１１】
好ましくは、前記高反射層は、Ａｇ、ＡｌまたはＲｈを含む。
前記熱伝導性メタル層は、前記接触面と向かい合う部分に開口部を有していてもよい。
好ましくは、前記熱伝導性メタル層は、Ａｕ層、Ｃｕ層、Ａｇ層またはＡｌ層の少なくともいずれかを含む。
前記熱伝導性メタル層は、ＣｕまたはＮｉからなる厚さ５μｍ〜１ｍｍの厚膜層を含み得る。
【００１２】
前記発光層が発する光の波長は４００ｎｍ未満であり得る。
【００１３】
前記窒化物系発光ダイオード素子において、オーミック接触層と接する部分における前記ｐ型層の表面の貫通転位密度が１×１０７ｃｍ−２未満である場合、好ましくは、当該発光ダイオード素子に対して、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積当たり電流が１５０〜３００Ａ／ｃｍ２となるように電流を供給して発光させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明実施形態に係る上記の窒化物系ＬＥＤは、活性領域で生じる熱を素子外部に効率的に逃すうえで好ましい構成を備えるので、大電流で駆動したときの素子温度の上昇による発光効率の低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図２】図１に示す窒化物系ＬＥＤに含まれるＧａＮ基板の構造を説明するための平面図である。
【図３】図１に示す窒化物系ＬＥＤの実装例を示す断面図である。
【図４】窒化物系ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図５】窒化物系ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図６】窒化物系ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図７】ドットコア基板の平面図である。
【図８】図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、窒化物系ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図９】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１０】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１１】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１２】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１３】紫外発光装置の断面図である。
【図１４】紫外発光装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下では、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、説明を簡略化するために、同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００１７】
［発光ダイオード素子］
（実施形態１−１）
図１は本発明の実施形態１−１に係る窒化物系ＬＥＤ１０１の構造を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【００１８】
窒化物系ＬＥＤ１０１は、ＧａＮ基板１１の一方の主面上に、窒化物半導体からなるｎ型層１２、発光層１３およびｐ型層１４が積層された構造を有している。各層は、ＭＯＶＰＥ法のような気相成長法を用いて形成されたエピタキシャル層である。最上部に位置するエピタキシャル層はｐ型層１４であり、その表面上にｐ側電極１５が形成されている。ｐ側電極１５は、オーミック接触層１５ａと、熱伝導性メタル層１５ｂとから構成されている。ｐ型層１４および発光層１３が部分的に除去されることにより露出したｎ型層１２の表面には、ｎ側電極１６が形成されている。
【００１９】
ＧａＮ基板１１はストライプコア基板であり、欠陥集合領域であるストライプコアＡを両端に有し、中央部に転位密度の低い単結晶領域Ｂを有している。図２に示すように、ストライプコアＡは、ＧａＮ基板１１を平面視したときに直線状を呈する欠陥集合領域であり、２０〜１００μｍの幅を有している。ｐ型層１４は、ＧａＮ基板１１のストライプコアＡの直上に高欠陥密度部Ｃを有している。ｐ型層１４のその他の部分は、高欠陥密度部Ｃよりも欠陥密度の低い低欠陥密度部Ｄである。低欠陥密度部Ｄは、表面における貫通転位の密度が１×１０７ｃｍ−２未満の部分を含んでいる。低欠陥密度部Ｄは、表面における貫通転位の密度が１×１０６ｃｍ−２未満の部分を含むことが好ましく、更には、表面における貫通転位の密度が１×１０５ｃｍ−２未満を含むことがより好ましい。
【００２０】
オーミック接触層１５ａは低欠陥密度部Ｄの表面に形成されており、高欠陥密度部Ｃの表面には接していない。これは、キャリアがエピタキシャル層中の欠陥密度の高い部分に拡散して失活することを防止するためである。導電性の低いｐ型層１４の内部では、オーミック接触層１５ａを通してｐ側電極１５から注入されたキャリアが横方向（厚さ方向に直交する方向）に殆ど拡散せず、実質的にオーミック接触層１５ａの直下のみで発光層１３に注入されるので、オーミック接触層１５ａをｐ型層１４の高欠陥密度部Ｃの表面から離れた位置に形成することによって、エピタキシャル層内部でキャリアが欠陥密度の高い部分に拡散することを防止できるのである。
【００２１】
熱伝導性メタル層１５ｂは、オーミック接触層１５ａの上から形成されており、該オーミック接触層に電気的に接続されている。熱伝導性メタル層１５ｂは、ｐ型層１４の低欠陥密度部Ｄ上から高欠陥密度部Ｃ上にわたって形成されている。上述のように、発光層１３へのｐ型キャリアの注入が起こるのは実質的にオーミック接触層１５ａの直下の領域のみであるから、活性領域の面積はオーミック接触層１５ａの面積と実質的に同じといえる。ゆえに、熱伝導性メタル層１５ｂの面積は活性領域の面積よりも大きいといえる。
【００２２】
窒化物系ＬＥＤ１０１の実装は、例えば、ｐ側電極１５の熱伝導性メタル層１５ｂと外部電極とを、ハンダ（例えば、ＡｕＳｎ合金）、導電性ペースト（例えば、Ａｇペースト）などの導電性接合材料で接合することによって行うことができる。このような方法を用いた窒化物系ＬＥＤ１０１の実装例を図３に示す。図３は断面図であり、絶縁基板２１上にアノード端子２２とカソード端子２３とを有する実装用基板２００上に、窒化物系ＬＥＤ１０１が固定されている。窒化物系ＬＥＤ１０１はエピタキシャル層側を実装用基板２００に向けて、フリップチップ実装されている。実装用基板のアノード端子２２と窒化物系ＬＥＤの熱伝導性メタル層１５ｂとの間、および、実装用基板のカソード端子２３と窒化物系ＬＥＤのｎ側電極１６との間は、それぞれ、導電性接合材料Ｅによって接合されている。
【００２３】
活性領域の面積（≒オーミック接触層１５ａの面積）よりも熱伝導性メタル層１５ｂの面積が大きいことから、活性領域で発生する熱は、熱伝導性メタル層１５ｂや導電性接合材料Ｅの内部において、直下の方向だけでなく横方向（素子面に平行な方向）にも拡散し得る。よって、窒化物系ＬＥＤ１０１を大電流駆動したときの、活性領域の温度上昇が抑制される。この効果は、オーミック接触層１５ａの面積に対する熱伝導性メタル層１５ｂの面積比を大きくする程、顕著となる。この面積比は、例えば、１．５〜１０倍とすることができ、好ましくは２〜４倍である。
【００２４】
（実施形態１−２）
本発明の実施形態１−２に係る窒化物系ＬＥＤ１０２の断面図を図４に示す。窒化物系ＬＥＤ１０２は、ｐ側電極１５に含まれるオーミック接触層１５ａが、ｐ型層１４の低欠陥密度部Ｄ上から高欠陥密度部Ｃ上にわたって形成されている点で、実施形態１−１に係る窒化物系ＬＥＤ１０１と異なっている。窒化物系ＬＥＤ１０２の場合には、オーミック接触層１５ａをこのように形成しつつも、ｐ型層１４の高欠陥密度部Ｃの表面を覆う絶縁膜１７によってオーミック接触層１５ａと該高欠陥密度部Ｃとを絶縁しているので、ｐ側電極１５から高欠陥密度部Ｃにはキャリアが注入されない。よって、オーミック接触層１５ａとｐ型層１４とが接している部分の直下の領域が、活性領域となる。熱伝導性メタル層１５ｂは低欠陥密度部Ｄ上から高欠陥密度部Ｃ上にわたって形成されており、その面積は活性領域の面積よりも大きい。
【００２５】
窒化物系ＬＥＤ１０２では、絶縁膜１７がｐ型層より低い屈折率を有する透明薄膜であると、絶縁膜１７がなければｐ型層１４側からｐ側電極１５の下面に入射することになる光の一部が、絶縁膜１７によって効率よく反射されるので、発光効率の改善が期待できる。
【００２６】
（実施形態１−３）
本発明の実施形態１−３に係る窒化物系ＬＥＤ１０３の断面図を図５に示す。前述の実施形態１−２に係る窒化物系ＬＥＤ１０２では、ｐ側電極１５のオーミック接触層１５ａとｐ型層１４の間に絶縁膜１７が挟まれているのに対し、窒化物系ＬＥＤ１０３では、オーミック接触層１５ａが、絶縁膜１７とｐ型層１４の間に挟まれている。絶縁膜１７はオーミック接触層１５ａ上に形成された部分に複数の貫通孔を有しており、該複数の貫通孔を通して、オーミック接触層１５ａと熱伝導性メタル層１５ｂとが接続されている。
【００２７】
窒化物系ＬＥＤ１０３においても、絶縁膜１７がｐ型層より低い屈折率を有する透明薄膜であると、絶縁膜１７がなければｐ型層１４側から熱伝導性メタル層１５ｂの下面に入射することになる光の一部が、絶縁膜１７によって効率よく反射されるので、発光効率の改善が期待できる。
【００２８】
（実施形態１−４）
本発明の実施形態１−４に係る窒化物系ＬＥＤ１０４の断面図を図６に示す。前述の実施形態１−１〜１−３に係る窒化物系ＬＥＤでは、部分的に露出したｎ型層１２の表面にｎ側電極１６が形成されているのに対し、窒化物系ＬＥＤ１０４では、ｎ側電極１６がＧａＮ基板１１の裏面の単結晶領域Ｂ上に形成されている。
【００２９】
以上に説明した実施形態１−１〜１−４に共通するのは、熱伝導性メタル層１５ｂの面積を広げるために、活性領域を設けるのには適さない高欠陥密度部Ｃの表面が有効に利用されていることである。
上記実施形態１−１〜１−４の各々において、ＧａＮ基板１１をストライプコア基板からドットコア基板に置き換えた場合にも、同様にして高欠陥密度部の有効利用が可能であることは自明であろう。ドットコア基板とは、平面視したときに、ドット状を呈する欠陥集合領域Ａが、所定パターンで転位密度の低い単結晶領域Ｂに囲まれて配置された基板である。
一例に係るドットコア基板の平面図を図７に示すとともに、図７に示すドットコア基板１１を用いた、本発明実施形態に係る窒化物系ＬＥＤ１０５（実施形態１−５）および窒化物系ＬＥＤ１０６（実施形態１−６）の断面図を図８（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。
【００３０】
（好適な実施形態）
次に、上述の実施形態１−１〜１−６に係る窒化物系ＬＥＤにおいて採用し得る、各部の好適な構成について説明する。
【００３１】
ＧａＮ基板１１の上にエピタキシャル成長されるｎ型層１２、発光層１３およびｐ型層１４のそれぞれは、半導体結晶の組成や不純物濃度が厚さ方向に一定である必要はなく、例えば、多層構造を有していてもよい。また、ＧａＮ基板１１とｎ型層１２の間、ｎ型層１２と発光層１３の間、発光層１３とｐ型層１４の間には、公知技術を参照して、様々な機能を有する窒化物半導体層を挿入することができる。例えば、欠陥低減層、歪緩和層、キャリアブロック層などである。
【００３２】
ｐ型層１４の表面に形成されるオーミック接触層１５ａは、好ましくは、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜である。透明導電性酸化物としては透過率の高いものを用いることが望ましく、具体的には、ＩＴＯ、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）などの酸化インジウムベースのＴＣＯ、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、ＧＺＯ（ガリウム亜鉛酸化物）などの酸化亜鉛ベースのＴＣＯ、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）などの酸化錫ベースのＴＣＯが例示される。透明導電性酸化物は窒化物半導体より低い屈折率を有することから、オーミック接触層１５ａを透明導電性酸化物で形成すると、ｐ型層１４とオーミック接触層１５ａとの界面は良質の反射面となる。
【００３３】
オーミック接触層１５ａの他の好適例は、白金族元素を含むメタル薄膜である。白金族元素の中でも、反射率が特に高いＲｈを用いることが望ましい。オーミック接触層１５ａにはＮｉ／Ａｕを用いることもできる。
【００３４】
熱伝導性メタル層１５ｂは、下面側に、発光層１３で生じる光に対する反射率の高い金属で形成された高反射層を有することが望ましい。窒化物系ＬＥＤの典型的な発光波長は３６０〜５００ｎｍであることから、高反射層に用いる好ましい金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈなどが例示される。Ｔｉ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒなどの元素が添加されたＡｌや、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｉｎ、Ｓｎなどの元素が添加されたＡｇも、高反射層の材料として好ましく使用できる。オーミック接触層１５ａを透光性の高い透明導電性酸化物膜としたとき、高反射層の効果は特に顕著となる。
【００３５】
熱伝導性メタル層１５ｂは、熱伝導性の高いＡｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌのような金属で形成された高熱伝導層を含んでいてもよい。また、熱伝導性メタル層１５ｂは、ＣｕまたはＮｉからなる厚さ５μｍ〜１ｍｍの厚膜層を含んでいてもよい。この厚膜層の好適な形成方法は、電解メッキ、無電解メッキなどである。また、熱伝導性メタル層１５ｂは、Ａｕ層のような、酸化し難い表面層を有することが望ましい。
【００３６】
熱伝導性メタル層１５ｂの総厚みは、好ましくは１μｍ〜１ｍｍ、より好ましくは５〜５００μｍ、特に好ましくは１０〜４００μｍである。
【００３７】
ｎ側電極１６は、ｎ型層１２またはＧａＮ基板１１と接する部分を、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、ＣｒもしくはＶの単体、または、これらから選ばれる１種以上の金属を含む合金で形成することが好ましい。中でも、Ａｌは特に好ましい材料である。Ａｌは、Ｔｉ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒなどの添加元素を含んでいてもよい。また、ｎ側電極１６は、ｎ型層１２またはＧａＮ基板１１と接する部分に透明導電性酸化物膜、すなわち、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化亜鉛、ＡＺＯ、ＧＺＯ、酸化錫、ＦＴＯなどからなる透光性薄膜を有していてもよい。また、ｎ側電極１６は、Ａｕ層のような、酸化し難い表面層を有することが望ましい。
【００３８】
絶縁膜１７は、前述のように、ｐ型層１４よりも低い屈折率を有することが望ましく、例えば、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、スピネル、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムのような金属酸化物、あるいは、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、スピンオングラスのようなガラスで形成することができる。
【００３９】
ＧａＮ基板１１の厚さは、エピタキシャル層の形成に使用する時点では４００μｍ以上であることが望ましいが、エピタキシャル層の形成後には、裏面にグラインディング加工、ラッピング加工、ポリッシング加工などを施すことによって、１００μｍ以下にまで減じ得る。特に、熱伝導性メタル層１５ｂに前述の厚膜層を５０μｍ以上の厚さに形成する場合には、ＧａＮ基板１１の厚さを５０μｍ以下に減じることができ、更に、ＧａＮ基板１１を摩滅させてしまってもよい。
【００４０】
光取出し効率を改善するためには、ＧａＮ基板１１の裏面を粗面（textured
surface）とすることが有効である。ＧａＮ基板１１の裏面は、ＫＯＨを用いたウェットエッチングあるいはＰＥＣによって粗化できる他、エッチングマスクを用いたドライエッチング加工によって粗化することもできる。エッチングマスクはフォトリソグラフィ技法やレーザ干渉露光法を用いて所定の形状にパターニングされたものであってもよい。また、エッチングマスクは、メタル薄膜を加熱したときに自発的に生じるボールアップ現象や、非相容性のポリマーを混合したときに自発的に生じるミクロ相分離現象を利用して形成される、ナノマスクであってもよい。
【００４１】
（実施形態２−１）
図９は本発明の実施形態２−１に係る窒化物系ＬＥＤ２０１の構造を示す模式図であり、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。なお、図９（ａ）は窒化物系ＬＥＤ２０１を導電性基板２１側から見たところを示している。
【００４２】
窒化物系ＬＥＤ２０１は、導電性基板２１の第１主面上２１ａに、窒化物半導体からなるｎ型層２２、発光層２３およびｐ型層２４が順に積層された構造を有している。各層は、ＭＯＶＰＥ法のような気相成長法を用いて形成されたエピタキシャル層である。最上部に位置するエピタキシャル層はｐ型層２４であり、その表面上にｐ側電極２５が形成されている。ｐ側電極２５は、オーミック接触層２５ａと、熱伝導性メタル層２５ｂとから構成されている。導電性基板２１の第２主面２１ｂの一部にはｎ側電極２６が形成されている。
【００４３】
導電性基板２１は、発光層２３で生じる光を透過させ得る基板であり、例えば、ＳｉＣ基板、酸化ガリウム基板であり得るが、好ましくは、液相成長法またはソルボサーマル法を用いて製造された、欠陥集合領域を有さないＧａＮ基板である。導電性基板２１がかかるＧａＮ基板である場合、ｐ型層２４の表面における貫通転位の密度は１×１０６ｃｍ−２未満、更には１×１０５ｃｍ−２未満となり得る。エピタキシャル層中の転位密度を１×１０６ｃｍ−２未満のレベルまで低減すると、大電流を印加したときの内部量子効率の低下（いわゆるドループ）が小さくなるため、活性領域を横切って流れる順方向電流の密度が１５０〜３００Ａ／ｃｍ２となるような大電流をＬＥＤに印加することが可能となる。
【００４４】
図９（ａ）に示すように、導電性基板２１の第２主面２１ｂ上に形成されたｎ側電極２６は、ボンディングワイヤが接合される部分であるパッド部２６ａと、パッド部２６ａに供給される電流を横方向に広げるためのグリッド部２６ｂとを有するパターンに形成されている。
一方、同じ図９（ａ）の破線は、ｐ型層２４の表面に形成されたオーミック接触層２５ａの外周を示している。すなわち、窒化物系ＬＥＤ２０１では、平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面がなすパターンと、ｎ側電極２６のパターンとが重なっていない（オーミック接触層２５ａの外周は、ｐ型層２４と当該オーミック接触層２５ａの接触面の外周に等しい）。
【００４５】
このように構成されていることによって、オーミック接触層２５ａの直下の活性領域で生じる光は、ｎ側電極２６に遮られることなく、導電性基板２１の第２主面２１ｂから外部に放出されることになる。
また、ｐ型層２４とでオーミック接触層２５ａを挟むように設けられた熱伝導性メタル層２５ｂは、オーミック接触層２５ａよりも大面積に形成されているので、熱伝導性メタル層２５ｂを適切なヒートシンクに熱的に接続することによって、活性領域で生じる熱を、熱伝導性メタル層２５ｂを通して効果的に放散させることができる。
【００４６】
（実施形態２−２）
図１０（ａ）は、本発明の実施形態２−２に係る窒化物系ＬＥＤ２０２の平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における窒化物系ＬＥＤ２０２の断面図である。なお、図１０（ａ）は窒化物系ＬＥＤ２０２を導電性基板２１側から見たところを示している。
【００４７】
図１０（ａ）に示すように、導電性基板２１の第２主面２１ｂ上に形成されたｎ側電極２６は、ボンディングワイヤが接合される部分であるパッド部２６ａと、パッド部２６ａに供給される電流を横方向に広げるためのグリッド部２６ｂとを有するパターンに形成されている。
一方、同じ図１０（ａ）の破線は、ｐ型層２４の表面に形成された絶縁膜２７の外周を示している。すなわち、窒化物系ＬＥＤ２０２では、平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面がなすパターンと、ｎ側電極２６のパターンとが重ならないように、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａの間を隔てる絶縁膜２７のパターンが決定されている。
【００４８】
（実施形態２−３）
図１１（ａ）は、本発明の実施形態２−３に係る窒化物系ＬＥＤ２０３の平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における窒化物系ＬＥＤ２０３の断面図である。なお、図１１（ａ）は窒化物系ＬＥＤ２０３を導電性基板２１側から見たところを示している。
【００４９】
図１１（ａ）に示すように、導電性基板２１の第２主面２１ｂ上に形成されたｎ側電極２６は、ボンディングワイヤが接合される部分であるパッド部２６ａと、パッド部２６ａに供給される電流を横方向に広げるためのグリッド部２６ｂとを有するパターンに形成されている。
一方、同じ図１１（ａ）の破線は、ｐ型層２４の表面に形成されたオーミック接触層２５ａの外周を示している。すなわち、窒化物系ＬＥＤ２０３では、平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面がなすパターンと、ｎ側電極２６のパターンとが重なっていない（オーミック接触層２５ａの外周は、ｐ型層２４と当該オーミック接触層２５ａの接触面の外周に等しい）。
【００５０】
窒化物系ＬＥＤ２０３が前述の実施形態２−１に係る窒化物系ＬＥＤ２０１と異なるのは、窒化物系ＬＥＤ２０３では、ｐ型層２４と熱伝導性メタル層２５ｂとの間に、オーミック接触層２５ａだけではなく、絶縁膜２７が挟まれている点である。絶縁膜２７は、オーミック接触層２５ａに覆われずに露出したｐ型層２４の表面の略全体を覆うとともに、オーミック接触層２５ａの一部を覆っている。絶縁膜２７はオーミック接触層２５ａ上に形成された部分に貫通孔を有しており、該貫通孔を通して、オーミック接触層２５ａと熱伝導性メタル層２５ｂとが接続されている。
【００５１】
（実施形態２−４）
図１２（ａ）は、本発明の実施形態２−４に係る窒化物系ＬＥＤ２０４の平面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における窒化物系ＬＥＤ２０４の断面図である。なお、図１２（ａ）は窒化物系ＬＥＤ２０４をｎ型層２２側から見たところを示している。
【００５２】
窒化物系ＬＥＤ２０４は、導電性基板を有しておらず、ｎ型層２２の発光層２３側とは反対側の主面上にｎ側電極２６が形成されている。
図１２（ａ）に示すように、ｎ型層２２上に形成されたｎ側電極２６は、ボンディングワイヤが接合される部分であるパッド部２６ａと、パッド部２６ａに供給される電流を横方向に広げるためのグリッド部２６ｂとを有するパターンに形成されている。
一方、同じ図１２（ａ）の破線は、ｐ型層２４の表面に形成されたオーミック接触層２５ａの外周を示している。従って、窒化物系ＬＥＤ２０３においても、平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面がなすパターンと、ｎ側電極２６のパターンとが重なっていない。
【００５３】
窒化物系ＬＥＤ２０４に含まれるエピタキシャル層（ｎ型層２２、発光層２３、ｐ型層２４を含む）の形成に用いられた成長基板は、窒化物系ＬＥＤ２０４の製造過程において、ｎ側電極２６が形成される前に、適宜な方法（例えば、レーザリフトオフ、化学リフトオフ、機械加工など）を用いて該エピタキシャル層から取り除かれている。該成長基板は該エピタキシャル層を成長させることができるものであればよく、例えば、ＳｉＣ基板、サファイア基板、Ｓｉ基板、酸化ガリウム基板、ＧａＮ基板などであり得る。
【００５４】
（好適な実施形態）
実施形態２−１〜２−４に係る窒化物系ＬＥＤにおける、エピタキシャル層（ｎ型層２２、発光層２３、ｐ型層２４を含む）、オーミック接触層、熱伝導性メタル層および絶縁膜の好ましい構成は、実施形態１−１〜１−６に係る窒化物系ＬＥＤの場合と同様である。
導電性基板２１の第２主面２１ｂ上、あるいは、ｎ型層２２の表面上に形成されるｎ側電極２６が有するパターンは、正方格子状のグリッドパターンだけではなく、三角格子パターン、ハニカム格子パターン、櫛型パターン、放射状パターン、放射状パターンと同心円パターンを組み合せたパターンなど、各種のパターンであり得る。ｎ側電極２６が如何なるパターンを有する場合であっても、ＬＥＤを平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面のパターンは、ｎ側電極２６のパターンと重なりを有さないように定められる。
【００５５】
光取出し効率を改善するためには、導電性基板２１の第２主面２１ｂのうち、ｎ側電極２６に覆われていない領域を、エッチング加工によって粗面（textured surface）とすることが有効である。実施形態２−４のように成長基板を除去する場合には、ｎ型層２２の表面をエッチング加工して粗面とすることが望ましい。
【００５６】
実施形態１−１〜１−６、２−１〜２−４のいずれにおいても、活性領域における電流密度の均一性が高くなるように、素子を平面視したときの、ｐ型層１４、２４とオーミック接触層１５ａ、２５ａとの接触面上の任意の点からｎ側電極までの距離は、７５μｍ以内とすることが好ましく、５０μｍ以内とすることがより好ましい。ｎ型の窒化物半導体の導電率は、メタル製のｎ側電極に比べると低いので、ＧａＮ基板やｎ型層の内部で電子キャリアが素子面に平行に拡散し得る距離には限界がある。
【００５７】
［発光装置］
本発明実施形態に係る窒化物系ＬＥＤを用いて図１３のような紫外発光装置を構成することができる。図１３の紫外発光装置３０１は、紫外光を放出する窒化物系ＬＥＤ（紫外ＬＥＤ）３１と、その紫外ＬＥＤ３１が実装される回路基板３３と、紫外ＬＥＤ３１を封止する封止材を兼用する可視発光部３５とを備えている。紫外ＬＥＤ３１は、この例では、図３と同様の素子構造および実装構造を有している。可視発光部３５には、微量の蛍光体が添加されている。
【００５８】
この紫外発光装置３０１は、印刷インキ、コーティング、接着剤などとして用いられる紫外線硬化樹脂を硬化させるための紫外線照射装置の光源として用いられる。このような用途では、十分な光出力を得る目的でＬＥＤに大電流が印加されることから、ＬＥＤの放熱が効率的に行われることが望ましい。この点、紫外発光装置３０１では、本発明の一形態に係る窒化物系ＬＥＤを紫外ＬＥＤ３１として用いているので、ＬＥＤの活性領域で発生する熱が熱伝導性メタル層を介して効率的に回路基板３３に逃がされる。
【００５９】
可視発光部３５では、添加された蛍光体によって、紫外ＬＥＤ３１からの紫外光の一部が可視光に変換される。この可視光は紫外ＬＥＤ３１からの紫外光とともに外部に取り出される。従って、紫外発光装置３０１では、紫外ＬＥＤ３１の点灯・非点灯が肉眼で容易に判別でき、安全である。
【００６０】
可視発光部３５において、蛍光体が添加されるベース材料には、紫外ＬＥＤの封止に通常用いられる透光性の成形材料が用いられる。好適には、紫外線に対する耐性の良好な材料である、無機ガラスやシリコーン樹脂が例示される。
【００６１】
可視発光部３５の発光色に限定はないが、視感度の高い緑色や黄色であると、使用する蛍光体が少量で済むため好都合である。緑色または黄色に発光する蛍光体としては、Ｅｕを付活剤に用いたシリケート系またはサイアロン系の蛍光体や、Ｃｅを付活剤に用いたガーネット系または窒化物系の蛍光体が好適である。あるいは、可視発光部３５の発光色は、紫外線のイメージを表現するために紫色とすることができる。その場合には、可視発光部３５に青色蛍光体および赤色蛍光体を添加すればよい。
【００６２】
紫外ＬＥＤ３１からの紫外光が必要以上に可視光に変換されないように、紫外発光装置３０１の発光スペクトルにおいて、紫外ＬＥＤ３１の発光に基づく発光ピーク強度が、可視発光部３５からの発光に基づく発光ピーク強度１０倍以上、好ましくは２０倍以上となるように、可視発光部３５に添加される蛍光体の量が調節される。
【００６３】
可視発光部を設けることによって、紫外ＬＥＤの点灯・非点灯を安全に確認できるように構成した他の紫外発光装置の構成例を図１４に示す。
図１４の紫外発光装置３０２は、紫外ＬＥＤ３１と、その紫外ＬＥＤ３１が実装される回路基板３３と、紫外ＬＥＤ３１を封止する封止材３７と、可視発光部３５とを備えている。紫外ＬＥＤ３１の封止は省略することができる。
【００６４】
紫外発光装置３０２では、紫外ＬＥＤ３１が発する紫外光の一部を可視光に変換する可視発光部３５が、紫外ＬＥＤ３１からの紫外光の取り出しを妨げないように、紫外ＬＥＤ３０１の側方に配置されている。理由は、紫外発光装置３０２の紫外光源としての効率を低下させないためである。更に、紫外線発光装置３０２では、可視発光部３５が、紫外ＬＥＤ３１を封止する封止材３７の外部に設置されているので、紫外ＬＥＤ３１の発光が必要以上に可視光に変換されることがない。反対に、紫外ＬＥＤを封止する封止材中に蛍光体が添加されている場合には、必要以上の波長変換が起こる可能性がある。なぜなら、紫外ＬＥＤが発する光が封止材の内部に閉じ込められる傾向があるためである。
【００６５】
紫外発光装置３０１および３０２には以下に記載する発明が具現化されている：
（１）紫外発光素子と、該紫外発光素子からの光の一部を吸収して可視光に変換する発光体とを備え、
前記紫外発光素子が点灯しているか否かを、前記発光体が可視光を発しているか否かを観察することによって肉眼で確認することができる、紫外発光装置。
（２）前記紫外ＬＥＤが封止材で封止されている、前記（１）の紫外発光装置。
（３）前記封止材の少なくとも一部が、前記発光体を兼用している、前記（２）の紫外発光装置。
（４）前記発光体が、前記紫外発光素子からの光の取出しを妨げない位置に配置されている、前記（１）または（２）の紫外発光装置。
（５）前記紫外ＬＥＤが封止材で封止されており、前記発光体が前記封止材の外部に配置されている、前記（４）の紫外発光装置。
（６）前記発光体の発光色が、緑色、黄色または紫色である、前記（１）〜（５）のいずれかの紫外発光装置。
（７）当該紫外発光装置の発光スペクトルにおいて、前記紫外ＬＥＤの発光に基づく発光ピークの強度が、前記発光体からの発光に基づく発光ピークの強度の１０倍以上である、前記（１）〜（６）のいずれかの紫外発光装置。
【符号の説明】
【００６６】
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、２０１、２０２、２０３、２０４ 窒化物系ＬＥＤ
１１、２１ ＧａＮ基板
１２、２２ ｎ型層
１３、２３ 発光層
１４、２４ ｐ型層
１５、２５ ｐ側電極
１５ａ、２５ａ オーミック接触層
１５ｂ、２５ｂ 熱伝導性メタル層
１６、２６ ｎ側電極
１７、２７ 絶縁膜
３０１、３０２ 紫外発光装置
３１ 紫外ＬＥＤ
３３ 回路基板
３５ 可視光発光部
３７ 封止材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体で形成された発光構造を有する窒化物系発光ダイオード素子（以下、窒化物系ＬＥＤともいう）に関する。窒化物半導体は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎなどの一般式で表される化合物半導体であり、III族窒化物半導体、窒化物系半導体、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体などとも呼ばれる。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮのような窒化物半導体を用いた半導体デバイスが実用化されている。代表的なデバイスは、窒化物半導体でダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造を構成した、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子である。特に、ｃ面サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長された発光構造を有する窒化物系ＬＥＤは、バックライトや照明のための光源として大量に生産されている。
【０００３】
ＧａＮ基板上に発光構造をホモエピタキシャル成長させることにより得られる窒化物系ＬＥＤは、発光構造中の結晶欠陥の密度が低いものとなるので、発光効率や寿命に優れたものとなると期待されている。
ｃ面を主面とするＧａＮ基板は、通常、欠陥集合領域を有している。例えば、ストライプコア基板と呼ばれるｃ面ＧａＮ基板は、平行直線状に形成された複数の欠陥集合領域を有している（特許文献１、特許文献２）。ストライプコア基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、エピタキシャル層中には、基板のストライプコアに対応して欠陥密度の高い部分が形成される。ＧａＮ基板を用いた発光デバイスでは、通常、エピタキシャル層中のこのような高欠陥密度部ではない部分に活性領域（発光が起こる領域）が設けられる（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３３５６４６号公報
【特許文献２】特開２００６−１９６６０９号公報
【特許文献３】特開２００９−２９５６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
窒化物系ＬＥＤを用いた発光装置に対して、白熱電球、蛍光ランプ、水銀ランプなどの代替となる程度の高い出力が要求されるようになってきている。それに伴い、窒化物系ＬＥＤには大電流駆動したときの効率が良好であることが要求されるようになっている。
発光ダイオード素子の効率は、温度上昇とともに低下するのが普通であるから、上記の要求を充たすには、駆動時に活性領域で発生する熱を効率よく素子外部に逃がすことが重要となる。そこで、本発明の主たる目的は、活性領域で生じる熱を素子外部に効率的に逃すうえで好ましい構成を備えた窒化物系ＬＥＤ、および、かかる窒化物系ＬＥＤを用いた好ましい発光方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、次の構成を有する窒化物系発光ダイオード素子が提供される：
ｐ型層と、前記ｐ型層に積層されたｎ型層と、前記ｐ型層と前記ｎ型層とに挟まれた発光層と、を含む窒化物半導体積層体と、
前記ｐ型層の表面上に設けられたｐ側電極と、
前記ｎ型層に接続されたｎ側電極と、
を備える窒化物系発光ダイオード素子であって、
前記ｐ側電極は、前記ｐ型層との接触面を有するオーミック接触層と、前記ｐ型層とで前記オーミック接触層を挟むように設けられた熱伝導性メタル層とを有しており、
素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積が、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積よりも大きいことを特徴とする窒化物系発光ダイオード素子。
【０００７】
ここでいう「素子平面」とは、発光ダイオード素子の主要な構成要素である窒化物半導体層（ｎ型層、発光層、ｐ型層）に平行な平面（層の厚さ方向と直交する平面）をいう。
また、ここでいう「投影面積」とは、所定の平面に対する客体の正射影（該平面に対して垂直に投射される光が該客体によって遮られることにより該平面に形成される影）の面積をいう。従って、前記接触面が平面であるときには、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積は、前記接触面の面積に等しい。一方、前記接触面が凹凸面である場合には、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積は、前記接触面の面積よりも小さくなる。
【０００８】
前記オーミック接触層と接する部分における前記ｐ型層の表面の貫通転位密度は１×１０７ｃｍ−２未満であり得る。この場合、前記窒化物半導体積層体の、前記発光層から見て前記ｎ型層側には、ＧａＮ基板が接合されていてもよい。また、前記ｐ型層の表面に、前記オーミック接触層と接する部分に比べて表面の貫通転位密度が高い高転位密度部が存在していてもよく、その場合、前記熱伝導性メタル層が前記高転位密度部の少なくとも一部を覆っていることが好ましい。
【０００９】
好ましくは、前記ｐ型層の表面と前記熱伝導性メタル層との間に、絶縁膜が挿入されていてもよい。
好ましくは、前記絶縁膜は、前記ｐ型層より低い屈折率を有する透明薄膜である。
前記接触面と前記ｎ側電極とは素子平面に平行な方向に重なりを有していないことが好ましい。その場合、当該素子を平面視したときの、前記接触面上の任意の点から前記ｎ側電極までの距離は、好ましくは７５μｍ以内、より好ましくは５０μｍ以内である。
【００１０】
前記ｎ側電極は、前記窒化物半導体積層体から見て、前記ｐ側電極が形成された側とは反対側に配置されていてもよい。
好ましくは、前記素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積は、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積の１．５倍〜１０倍である。
好ましくは、前記熱伝導性メタル層の総厚みは、１μｍ〜１ｍｍである。
好ましくは、前記オーミック接触層は、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜であるか、または、白金族元素を含むメタル薄膜である。
前記オーミック接触層が、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜である場合、好ましくは、前記熱伝導性メタル層は前記オーミック接触層に接する部分に高反射層を有する。
【００１１】
好ましくは、前記高反射層は、Ａｇ、ＡｌまたはＲｈを含む。
前記熱伝導性メタル層は、前記接触面と向かい合う部分に開口部を有していてもよい。
好ましくは、前記熱伝導性メタル層は、Ａｕ層、Ｃｕ層、Ａｇ層またはＡｌ層の少なくともいずれかを含む。
前記熱伝導性メタル層は、ＣｕまたはＮｉからなる厚さ５μｍ〜１ｍｍの厚膜層を含み得る。
【００１２】
前記発光層が発する光の波長は４００ｎｍ未満であり得る。
【００１３】
前記窒化物系発光ダイオード素子において、オーミック接触層と接する部分における前記ｐ型層の表面の貫通転位密度が１×１０７ｃｍ−２未満である場合、好ましくは、当該発光ダイオード素子に対して、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積当たり電流が１５０〜３００Ａ／ｃｍ２となるように電流を供給して発光させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明実施形態に係る上記の窒化物系ＬＥＤは、活性領域で生じる熱を素子外部に効率的に逃すうえで好ましい構成を備えるので、大電流で駆動したときの素子温度の上昇による発光効率の低下が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図２】図１に示す窒化物系ＬＥＤに含まれるＧａＮ基板の構造を説明するための平面図である。
【図３】図１に示す窒化物系ＬＥＤの実装例を示す断面図である。
【図４】窒化物系ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図５】窒化物系ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図６】窒化物系ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図７】ドットコア基板の平面図である。
【図８】図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、窒化物系ＬＥＤの構造を示す断面図である。
【図９】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１０】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１１】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１２】窒化物系ＬＥＤの構造を示しており、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図１３】紫外発光装置の断面図である。
【図１４】紫外発光装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下では、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、説明を簡略化するために、同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００１７】
［発光ダイオード素子］
（実施形態１−１）
図１は本発明の実施形態１−１に係る窒化物系ＬＥＤ１０１の構造を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【００１８】
窒化物系ＬＥＤ１０１は、ＧａＮ基板１１の一方の主面上に、窒化物半導体からなるｎ型層１２、発光層１３およびｐ型層１４が積層された構造を有している。各層は、ＭＯＶＰＥ法のような気相成長法を用いて形成されたエピタキシャル層である。最上部に位置するエピタキシャル層はｐ型層１４であり、その表面上にｐ側電極１５が形成されている。ｐ側電極１５は、オーミック接触層１５ａと、熱伝導性メタル層１５ｂとから構成されている。ｐ型層１４および発光層１３が部分的に除去されることにより露出したｎ型層１２の表面には、ｎ側電極１６が形成されている。
【００１９】
ＧａＮ基板１１はストライプコア基板であり、欠陥集合領域であるストライプコアＡを両端に有し、中央部に転位密度の低い単結晶領域Ｂを有している。図２に示すように、ストライプコアＡは、ＧａＮ基板１１を平面視したときに直線状を呈する欠陥集合領域であり、２０〜１００μｍの幅を有している。ｐ型層１４は、ＧａＮ基板１１のストライプコアＡの直上に高欠陥密度部Ｃを有している。ｐ型層１４のその他の部分は、高欠陥密度部Ｃよりも欠陥密度の低い低欠陥密度部Ｄである。低欠陥密度部Ｄは、表面における貫通転位の密度が１×１０７ｃｍ−２未満の部分を含んでいる。低欠陥密度部Ｄは、表面における貫通転位の密度が１×１０６ｃｍ−２未満の部分を含むことが好ましく、更には、表面における貫通転位の密度が１×１０５ｃｍ−２未満を含むことがより好ましい。
【００２０】
オーミック接触層１５ａは低欠陥密度部Ｄの表面に形成されており、高欠陥密度部Ｃの表面には接していない。これは、キャリアがエピタキシャル層中の欠陥密度の高い部分に拡散して失活することを防止するためである。導電性の低いｐ型層１４の内部では、オーミック接触層１５ａを通してｐ側電極１５から注入されたキャリアが横方向（厚さ方向に直交する方向）に殆ど拡散せず、実質的にオーミック接触層１５ａの直下のみで発光層１３に注入されるので、オーミック接触層１５ａをｐ型層１４の高欠陥密度部Ｃの表面から離れた位置に形成することによって、エピタキシャル層内部でキャリアが欠陥密度の高い部分に拡散することを防止できるのである。
【００２１】
熱伝導性メタル層１５ｂは、オーミック接触層１５ａの上から形成されており、該オーミック接触層に電気的に接続されている。熱伝導性メタル層１５ｂは、ｐ型層１４の低欠陥密度部Ｄ上から高欠陥密度部Ｃ上にわたって形成されている。上述のように、発光層１３へのｐ型キャリアの注入が起こるのは実質的にオーミック接触層１５ａの直下の領域のみであるから、活性領域の面積はオーミック接触層１５ａの面積と実質的に同じといえる。ゆえに、熱伝導性メタル層１５ｂの面積は活性領域の面積よりも大きいといえる。
【００２２】
窒化物系ＬＥＤ１０１の実装は、例えば、ｐ側電極１５の熱伝導性メタル層１５ｂと外部電極とを、ハンダ（例えば、ＡｕＳｎ合金）、導電性ペースト（例えば、Ａｇペースト）などの導電性接合材料で接合することによって行うことができる。このような方法を用いた窒化物系ＬＥＤ１０１の実装例を図３に示す。図３は断面図であり、絶縁基板２１上にアノード端子２２とカソード端子２３とを有する実装用基板２００上に、窒化物系ＬＥＤ１０１が固定されている。窒化物系ＬＥＤ１０１はエピタキシャル層側を実装用基板２００に向けて、フリップチップ実装されている。実装用基板のアノード端子２２と窒化物系ＬＥＤの熱伝導性メタル層１５ｂとの間、および、実装用基板のカソード端子２３と窒化物系ＬＥＤのｎ側電極１６との間は、それぞれ、導電性接合材料Ｅによって接合されている。
【００２３】
活性領域の面積（≒オーミック接触層１５ａの面積）よりも熱伝導性メタル層１５ｂの面積が大きいことから、活性領域で発生する熱は、熱伝導性メタル層１５ｂや導電性接合材料Ｅの内部において、直下の方向だけでなく横方向（素子面に平行な方向）にも拡散し得る。よって、窒化物系ＬＥＤ１０１を大電流駆動したときの、活性領域の温度上昇が抑制される。この効果は、オーミック接触層１５ａの面積に対する熱伝導性メタル層１５ｂの面積比を大きくする程、顕著となる。この面積比は、例えば、１．５〜１０倍とすることができ、好ましくは２〜４倍である。
【００２４】
（実施形態１−２）
本発明の実施形態１−２に係る窒化物系ＬＥＤ１０２の断面図を図４に示す。窒化物系ＬＥＤ１０２は、ｐ側電極１５に含まれるオーミック接触層１５ａが、ｐ型層１４の低欠陥密度部Ｄ上から高欠陥密度部Ｃ上にわたって形成されている点で、実施形態１−１に係る窒化物系ＬＥＤ１０１と異なっている。窒化物系ＬＥＤ１０２の場合には、オーミック接触層１５ａをこのように形成しつつも、ｐ型層１４の高欠陥密度部Ｃの表面を覆う絶縁膜１７によってオーミック接触層１５ａと該高欠陥密度部Ｃとを絶縁しているので、ｐ側電極１５から高欠陥密度部Ｃにはキャリアが注入されない。よって、オーミック接触層１５ａとｐ型層１４とが接している部分の直下の領域が、活性領域となる。熱伝導性メタル層１５ｂは低欠陥密度部Ｄ上から高欠陥密度部Ｃ上にわたって形成されており、その面積は活性領域の面積よりも大きい。
【００２５】
窒化物系ＬＥＤ１０２では、絶縁膜１７がｐ型層より低い屈折率を有する透明薄膜であると、絶縁膜１７がなければｐ型層１４側からｐ側電極１５の下面に入射することになる光の一部が、絶縁膜１７によって効率よく反射されるので、発光効率の改善が期待できる。
【００２６】
（実施形態１−３）
本発明の実施形態１−３に係る窒化物系ＬＥＤ１０３の断面図を図５に示す。前述の実施形態１−２に係る窒化物系ＬＥＤ１０２では、ｐ側電極１５のオーミック接触層１５ａとｐ型層１４の間に絶縁膜１７が挟まれているのに対し、窒化物系ＬＥＤ１０３では、オーミック接触層１５ａが、絶縁膜１７とｐ型層１４の間に挟まれている。絶縁膜１７はオーミック接触層１５ａ上に形成された部分に複数の貫通孔を有しており、該複数の貫通孔を通して、オーミック接触層１５ａと熱伝導性メタル層１５ｂとが接続されている。
【００２７】
窒化物系ＬＥＤ１０３においても、絶縁膜１７がｐ型層より低い屈折率を有する透明薄膜であると、絶縁膜１７がなければｐ型層１４側から熱伝導性メタル層１５ｂの下面に入射することになる光の一部が、絶縁膜１７によって効率よく反射されるので、発光効率の改善が期待できる。
【００２８】
（実施形態１−４）
本発明の実施形態１−４に係る窒化物系ＬＥＤ１０４の断面図を図６に示す。前述の実施形態１−１〜１−３に係る窒化物系ＬＥＤでは、部分的に露出したｎ型層１２の表面にｎ側電極１６が形成されているのに対し、窒化物系ＬＥＤ１０４では、ｎ側電極１６がＧａＮ基板１１の裏面の単結晶領域Ｂ上に形成されている。
【００２９】
以上に説明した実施形態１−１〜１−４に共通するのは、熱伝導性メタル層１５ｂの面積を広げるために、活性領域を設けるのには適さない高欠陥密度部Ｃの表面が有効に利用されていることである。
上記実施形態１−１〜１−４の各々において、ＧａＮ基板１１をストライプコア基板からドットコア基板に置き換えた場合にも、同様にして高欠陥密度部の有効利用が可能であることは自明であろう。ドットコア基板とは、平面視したときに、ドット状を呈する欠陥集合領域Ａが、所定パターンで転位密度の低い単結晶領域Ｂに囲まれて配置された基板である。
一例に係るドットコア基板の平面図を図７に示すとともに、図７に示すドットコア基板１１を用いた、本発明実施形態に係る窒化物系ＬＥＤ１０５（実施形態１−５）および窒化物系ＬＥＤ１０６（実施形態１−６）の断面図を図８（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。
【００３０】
（好適な実施形態）
次に、上述の実施形態１−１〜１−６に係る窒化物系ＬＥＤにおいて採用し得る、各部の好適な構成について説明する。
【００３１】
ＧａＮ基板１１の上にエピタキシャル成長されるｎ型層１２、発光層１３およびｐ型層１４のそれぞれは、半導体結晶の組成や不純物濃度が厚さ方向に一定である必要はなく、例えば、多層構造を有していてもよい。また、ＧａＮ基板１１とｎ型層１２の間、ｎ型層１２と発光層１３の間、発光層１３とｐ型層１４の間には、公知技術を参照して、様々な機能を有する窒化物半導体層を挿入することができる。例えば、欠陥低減層、歪緩和層、キャリアブロック層などである。
【００３２】
ｐ型層１４の表面に形成されるオーミック接触層１５ａは、好ましくは、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜である。透明導電性酸化物としては透過率の高いものを用いることが望ましく、具体的には、ＩＴＯ、ＩＺＯ（インジウム亜鉛酸化物）などの酸化インジウムベースのＴＣＯ、ＡＺＯ（アルミニウム亜鉛酸化物）、ＧＺＯ（ガリウム亜鉛酸化物）などの酸化亜鉛ベースのＴＣＯ、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化錫）などの酸化錫ベースのＴＣＯが例示される。透明導電性酸化物は窒化物半導体より低い屈折率を有することから、オーミック接触層１５ａを透明導電性酸化物で形成すると、ｐ型層１４とオーミック接触層１５ａとの界面は良質の反射面となる。
【００３３】
オーミック接触層１５ａの他の好適例は、白金族元素を含むメタル薄膜である。白金族元素の中でも、反射率が特に高いＲｈを用いることが望ましい。オーミック接触層１５ａにはＮｉ／Ａｕを用いることもできる。
【００３４】
熱伝導性メタル層１５ｂは、下面側に、発光層１３で生じる光に対する反射率の高い金属で形成された高反射層を有することが望ましい。窒化物系ＬＥＤの典型的な発光波長は３６０〜５００ｎｍであることから、高反射層に用いる好ましい金属としては、Ａｌ、Ａｇ、Ｒｈなどが例示される。Ｔｉ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒなどの元素が添加されたＡｌや、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｙ、Ｉｎ、Ｓｎなどの元素が添加されたＡｇも、高反射層の材料として好ましく使用できる。オーミック接触層１５ａを透光性の高い透明導電性酸化物膜としたとき、高反射層の効果は特に顕著となる。
【００３５】
熱伝導性メタル層１５ｂは、熱伝導性の高いＡｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌのような金属で形成された高熱伝導層を含んでいてもよい。また、熱伝導性メタル層１５ｂは、ＣｕまたはＮｉからなる厚さ５μｍ〜１ｍｍの厚膜層を含んでいてもよい。この厚膜層の好適な形成方法は、電解メッキ、無電解メッキなどである。また、熱伝導性メタル層１５ｂは、Ａｕ層のような、酸化し難い表面層を有することが望ましい。
【００３６】
熱伝導性メタル層１５ｂの総厚みは、好ましくは１μｍ〜１ｍｍ、より好ましくは５〜５００μｍ、特に好ましくは１０〜４００μｍである。
【００３７】
ｎ側電極１６は、ｎ型層１２またはＧａＮ基板１１と接する部分を、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、ＣｒもしくはＶの単体、または、これらから選ばれる１種以上の金属を含む合金で形成することが好ましい。中でも、Ａｌは特に好ましい材料である。Ａｌは、Ｔｉ、Ｎｄ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒなどの添加元素を含んでいてもよい。また、ｎ側電極１６は、ｎ型層１２またはＧａＮ基板１１と接する部分に透明導電性酸化物膜、すなわち、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化亜鉛、ＡＺＯ、ＧＺＯ、酸化錫、ＦＴＯなどからなる透光性薄膜を有していてもよい。また、ｎ側電極１６は、Ａｕ層のような、酸化し難い表面層を有することが望ましい。
【００３８】
絶縁膜１７は、前述のように、ｐ型層１４よりも低い屈折率を有することが望ましく、例えば、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、スピネル、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムのような金属酸化物、あるいは、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ、スピンオングラスのようなガラスで形成することができる。
【００３９】
ＧａＮ基板１１の厚さは、エピタキシャル層の形成に使用する時点では４００μｍ以上であることが望ましいが、エピタキシャル層の形成後には、裏面にグラインディング加工、ラッピング加工、ポリッシング加工などを施すことによって、１００μｍ以下にまで減じ得る。特に、熱伝導性メタル層１５ｂに前述の厚膜層を５０μｍ以上の厚さに形成する場合には、ＧａＮ基板１１の厚さを５０μｍ以下に減じることができ、更に、ＧａＮ基板１１を摩滅させてしまってもよい。
【００４０】
光取出し効率を改善するためには、ＧａＮ基板１１の裏面を粗面（textured
surface）とすることが有効である。ＧａＮ基板１１の裏面は、ＫＯＨを用いたウェットエッチングあるいはＰＥＣによって粗化できる他、エッチングマスクを用いたドライエッチング加工によって粗化することもできる。エッチングマスクはフォトリソグラフィ技法やレーザ干渉露光法を用いて所定の形状にパターニングされたものであってもよい。また、エッチングマスクは、メタル薄膜を加熱したときに自発的に生じるボールアップ現象や、非相容性のポリマーを混合したときに自発的に生じるミクロ相分離現象を利用して形成される、ナノマスクであってもよい。
【００４１】
（実施形態２−１）
図９は本発明の実施形態２−１に係る窒化物系ＬＥＤ２０１の構造を示す模式図であり、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。なお、図９（ａ）は窒化物系ＬＥＤ２０１を導電性基板２１側から見たところを示している。
【００４２】
窒化物系ＬＥＤ２０１は、導電性基板２１の第１主面上２１ａに、窒化物半導体からなるｎ型層２２、発光層２３およびｐ型層２４が順に積層された構造を有している。各層は、ＭＯＶＰＥ法のような気相成長法を用いて形成されたエピタキシャル層である。最上部に位置するエピタキシャル層はｐ型層２４であり、その表面上にｐ側電極２５が形成されている。ｐ側電極２５は、オーミック接触層２５ａと、熱伝導性メタル層２５ｂとから構成されている。導電性基板２１の第２主面２１ｂの一部にはｎ側電極２６が形成されている。
【００４３】
導電性基板２１は、発光層２３で生じる光を透過させ得る基板であり、例えば、ＳｉＣ基板、酸化ガリウム基板であり得るが、好ましくは、液相成長法またはソルボサーマル法を用いて製造された、欠陥集合領域を有さないＧａＮ基板である。導電性基板２１がかかるＧａＮ基板である場合、ｐ型層２４の表面における貫通転位の密度は１×１０６ｃｍ−２未満、更には１×１０５ｃｍ−２未満となり得る。エピタキシャル層中の転位密度を１×１０６ｃｍ−２未満のレベルまで低減すると、大電流を印加したときの内部量子効率の低下（いわゆるドループ）が小さくなるため、活性領域を横切って流れる順方向電流の密度が１５０〜３００Ａ／ｃｍ２となるような大電流をＬＥＤに印加することが可能となる。
【００４４】
図９（ａ）に示すように、導電性基板２１の第２主面２１ｂ上に形成されたｎ側電極２６は、ボンディングワイヤが接合される部分であるパッド部２６ａと、パッド部２６ａに供給される電流を横方向に広げるためのグリッド部２６ｂとを有するパターンに形成されている。
一方、同じ図９（ａ）の破線は、ｐ型層２４の表面に形成されたオーミック接触層２５ａの外周を示している。すなわち、窒化物系ＬＥＤ２０１では、平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面がなすパターンと、ｎ側電極２６のパターンとが重なっていない（オーミック接触層２５ａの外周は、ｐ型層２４と当該オーミック接触層２５ａの接触面の外周に等しい）。
【００４５】
このように構成されていることによって、オーミック接触層２５ａの直下の活性領域で生じる光は、ｎ側電極２６に遮られることなく、導電性基板２１の第２主面２１ｂから外部に放出されることになる。
また、ｐ型層２４とでオーミック接触層２５ａを挟むように設けられた熱伝導性メタル層２５ｂは、オーミック接触層２５ａよりも大面積に形成されているので、熱伝導性メタル層２５ｂを適切なヒートシンクに熱的に接続することによって、活性領域で生じる熱を、熱伝導性メタル層２５ｂを通して効果的に放散させることができる。
【００４６】
（実施形態２−２）
図１０（ａ）は、本発明の実施形態２−２に係る窒化物系ＬＥＤ２０２の平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における窒化物系ＬＥＤ２０２の断面図である。なお、図１０（ａ）は窒化物系ＬＥＤ２０２を導電性基板２１側から見たところを示している。
【００４７】
図１０（ａ）に示すように、導電性基板２１の第２主面２１ｂ上に形成されたｎ側電極２６は、ボンディングワイヤが接合される部分であるパッド部２６ａと、パッド部２６ａに供給される電流を横方向に広げるためのグリッド部２６ｂとを有するパターンに形成されている。
一方、同じ図１０（ａ）の破線は、ｐ型層２４の表面に形成された絶縁膜２７の外周を示している。すなわち、窒化物系ＬＥＤ２０２では、平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面がなすパターンと、ｎ側電極２６のパターンとが重ならないように、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａの間を隔てる絶縁膜２７のパターンが決定されている。
【００４８】
（実施形態２−３）
図１１（ａ）は、本発明の実施形態２−３に係る窒化物系ＬＥＤ２０３の平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における窒化物系ＬＥＤ２０３の断面図である。なお、図１１（ａ）は窒化物系ＬＥＤ２０３を導電性基板２１側から見たところを示している。
【００４９】
図１１（ａ）に示すように、導電性基板２１の第２主面２１ｂ上に形成されたｎ側電極２６は、ボンディングワイヤが接合される部分であるパッド部２６ａと、パッド部２６ａに供給される電流を横方向に広げるためのグリッド部２６ｂとを有するパターンに形成されている。
一方、同じ図１１（ａ）の破線は、ｐ型層２４の表面に形成されたオーミック接触層２５ａの外周を示している。すなわち、窒化物系ＬＥＤ２０３では、平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面がなすパターンと、ｎ側電極２６のパターンとが重なっていない（オーミック接触層２５ａの外周は、ｐ型層２４と当該オーミック接触層２５ａの接触面の外周に等しい）。
【００５０】
窒化物系ＬＥＤ２０３が前述の実施形態２−１に係る窒化物系ＬＥＤ２０１と異なるのは、窒化物系ＬＥＤ２０３では、ｐ型層２４と熱伝導性メタル層２５ｂとの間に、オーミック接触層２５ａだけではなく、絶縁膜２７が挟まれている点である。絶縁膜２７は、オーミック接触層２５ａに覆われずに露出したｐ型層２４の表面の略全体を覆うとともに、オーミック接触層２５ａの一部を覆っている。絶縁膜２７はオーミック接触層２５ａ上に形成された部分に貫通孔を有しており、該貫通孔を通して、オーミック接触層２５ａと熱伝導性メタル層２５ｂとが接続されている。
【００５１】
（実施形態２−４）
図１２（ａ）は、本発明の実施形態２−４に係る窒化物系ＬＥＤ２０４の平面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における窒化物系ＬＥＤ２０４の断面図である。なお、図１２（ａ）は窒化物系ＬＥＤ２０４をｎ型層２２側から見たところを示している。
【００５２】
窒化物系ＬＥＤ２０４は、導電性基板を有しておらず、ｎ型層２２の発光層２３側とは反対側の主面上にｎ側電極２６が形成されている。
図１２（ａ）に示すように、ｎ型層２２上に形成されたｎ側電極２６は、ボンディングワイヤが接合される部分であるパッド部２６ａと、パッド部２６ａに供給される電流を横方向に広げるためのグリッド部２６ｂとを有するパターンに形成されている。
一方、同じ図１２（ａ）の破線は、ｐ型層２４の表面に形成されたオーミック接触層２５ａの外周を示している。従って、窒化物系ＬＥＤ２０３においても、平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面がなすパターンと、ｎ側電極２６のパターンとが重なっていない。
【００５３】
窒化物系ＬＥＤ２０４に含まれるエピタキシャル層（ｎ型層２２、発光層２３、ｐ型層２４を含む）の形成に用いられた成長基板は、窒化物系ＬＥＤ２０４の製造過程において、ｎ側電極２６が形成される前に、適宜な方法（例えば、レーザリフトオフ、化学リフトオフ、機械加工など）を用いて該エピタキシャル層から取り除かれている。該成長基板は該エピタキシャル層を成長させることができるものであればよく、例えば、ＳｉＣ基板、サファイア基板、Ｓｉ基板、酸化ガリウム基板、ＧａＮ基板などであり得る。
【００５４】
（好適な実施形態）
実施形態２−１〜２−４に係る窒化物系ＬＥＤにおける、エピタキシャル層（ｎ型層２２、発光層２３、ｐ型層２４を含む）、オーミック接触層、熱伝導性メタル層および絶縁膜の好ましい構成は、実施形態１−１〜１−６に係る窒化物系ＬＥＤの場合と同様である。
導電性基板２１の第２主面２１ｂ上、あるいは、ｎ型層２２の表面上に形成されるｎ側電極２６が有するパターンは、正方格子状のグリッドパターンだけではなく、三角格子パターン、ハニカム格子パターン、櫛型パターン、放射状パターン、放射状パターンと同心円パターンを組み合せたパターンなど、各種のパターンであり得る。ｎ側電極２６が如何なるパターンを有する場合であっても、ＬＥＤを平面視したときに、ｐ型層２４とオーミック接触層２５ａとの接触面のパターンは、ｎ側電極２６のパターンと重なりを有さないように定められる。
【００５５】
光取出し効率を改善するためには、導電性基板２１の第２主面２１ｂのうち、ｎ側電極２６に覆われていない領域を、エッチング加工によって粗面（textured surface）とすることが有効である。実施形態２−４のように成長基板を除去する場合には、ｎ型層２２の表面をエッチング加工して粗面とすることが望ましい。
【００５６】
実施形態１−１〜１−６、２−１〜２−４のいずれにおいても、活性領域における電流密度の均一性が高くなるように、素子を平面視したときの、ｐ型層１４、２４とオーミック接触層１５ａ、２５ａとの接触面上の任意の点からｎ側電極までの距離は、７５μｍ以内とすることが好ましく、５０μｍ以内とすることがより好ましい。ｎ型の窒化物半導体の導電率は、メタル製のｎ側電極に比べると低いので、ＧａＮ基板やｎ型層の内部で電子キャリアが素子面に平行に拡散し得る距離には限界がある。
【００５７】
［発光装置］
本発明実施形態に係る窒化物系ＬＥＤを用いて図１３のような紫外発光装置を構成することができる。図１３の紫外発光装置３０１は、紫外光を放出する窒化物系ＬＥＤ（紫外ＬＥＤ）３１と、その紫外ＬＥＤ３１が実装される回路基板３３と、紫外ＬＥＤ３１を封止する封止材を兼用する可視発光部３５とを備えている。紫外ＬＥＤ３１は、この例では、図３と同様の素子構造および実装構造を有している。可視発光部３５には、微量の蛍光体が添加されている。
【００５８】
この紫外発光装置３０１は、印刷インキ、コーティング、接着剤などとして用いられる紫外線硬化樹脂を硬化させるための紫外線照射装置の光源として用いられる。このような用途では、十分な光出力を得る目的でＬＥＤに大電流が印加されることから、ＬＥＤの放熱が効率的に行われることが望ましい。この点、紫外発光装置３０１では、本発明の一形態に係る窒化物系ＬＥＤを紫外ＬＥＤ３１として用いているので、ＬＥＤの活性領域で発生する熱が熱伝導性メタル層を介して効率的に回路基板３３に逃がされる。
【００５９】
可視発光部３５では、添加された蛍光体によって、紫外ＬＥＤ３１からの紫外光の一部が可視光に変換される。この可視光は紫外ＬＥＤ３１からの紫外光とともに外部に取り出される。従って、紫外発光装置３０１では、紫外ＬＥＤ３１の点灯・非点灯が肉眼で容易に判別でき、安全である。
【００６０】
可視発光部３５において、蛍光体が添加されるベース材料には、紫外ＬＥＤの封止に通常用いられる透光性の成形材料が用いられる。好適には、紫外線に対する耐性の良好な材料である、無機ガラスやシリコーン樹脂が例示される。
【００６１】
可視発光部３５の発光色に限定はないが、視感度の高い緑色や黄色であると、使用する蛍光体が少量で済むため好都合である。緑色または黄色に発光する蛍光体としては、Ｅｕを付活剤に用いたシリケート系またはサイアロン系の蛍光体や、Ｃｅを付活剤に用いたガーネット系または窒化物系の蛍光体が好適である。あるいは、可視発光部３５の発光色は、紫外線のイメージを表現するために紫色とすることができる。その場合には、可視発光部３５に青色蛍光体および赤色蛍光体を添加すればよい。
【００６２】
紫外ＬＥＤ３１からの紫外光が必要以上に可視光に変換されないように、紫外発光装置３０１の発光スペクトルにおいて、紫外ＬＥＤ３１の発光に基づく発光ピーク強度が、可視発光部３５からの発光に基づく発光ピーク強度１０倍以上、好ましくは２０倍以上となるように、可視発光部３５に添加される蛍光体の量が調節される。
【００６３】
可視発光部を設けることによって、紫外ＬＥＤの点灯・非点灯を安全に確認できるように構成した他の紫外発光装置の構成例を図１４に示す。
図１４の紫外発光装置３０２は、紫外ＬＥＤ３１と、その紫外ＬＥＤ３１が実装される回路基板３３と、紫外ＬＥＤ３１を封止する封止材３７と、可視発光部３５とを備えている。紫外ＬＥＤ３１の封止は省略することができる。
【００６４】
紫外発光装置３０２では、紫外ＬＥＤ３１が発する紫外光の一部を可視光に変換する可視発光部３５が、紫外ＬＥＤ３１からの紫外光の取り出しを妨げないように、紫外ＬＥＤ３０１の側方に配置されている。理由は、紫外発光装置３０２の紫外光源としての効率を低下させないためである。更に、紫外線発光装置３０２では、可視発光部３５が、紫外ＬＥＤ３１を封止する封止材３７の外部に設置されているので、紫外ＬＥＤ３１の発光が必要以上に可視光に変換されることがない。反対に、紫外ＬＥＤを封止する封止材中に蛍光体が添加されている場合には、必要以上の波長変換が起こる可能性がある。なぜなら、紫外ＬＥＤが発する光が封止材の内部に閉じ込められる傾向があるためである。
【００６５】
紫外発光装置３０１および３０２には以下に記載する発明が具現化されている：
（１）紫外発光素子と、該紫外発光素子からの光の一部を吸収して可視光に変換する発光体とを備え、
前記紫外発光素子が点灯しているか否かを、前記発光体が可視光を発しているか否かを観察することによって肉眼で確認することができる、紫外発光装置。
（２）前記紫外ＬＥＤが封止材で封止されている、前記（１）の紫外発光装置。
（３）前記封止材の少なくとも一部が、前記発光体を兼用している、前記（２）の紫外発光装置。
（４）前記発光体が、前記紫外発光素子からの光の取出しを妨げない位置に配置されている、前記（１）または（２）の紫外発光装置。
（５）前記紫外ＬＥＤが封止材で封止されており、前記発光体が前記封止材の外部に配置されている、前記（４）の紫外発光装置。
（６）前記発光体の発光色が、緑色、黄色または紫色である、前記（１）〜（５）のいずれかの紫外発光装置。
（７）当該紫外発光装置の発光スペクトルにおいて、前記紫外ＬＥＤの発光に基づく発光ピークの強度が、前記発光体からの発光に基づく発光ピークの強度の１０倍以上である、前記（１）〜（６）のいずれかの紫外発光装置。
【符号の説明】
【００６６】
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、２０１、２０２、２０３、２０４ 窒化物系ＬＥＤ
１１、２１ ＧａＮ基板
１２、２２ ｎ型層
１３、２３ 発光層
１４、２４ ｐ型層
１５、２５ ｐ側電極
１５ａ、２５ａ オーミック接触層
１５ｂ、２５ｂ 熱伝導性メタル層
１６、２６ ｎ側電極
１７、２７ 絶縁膜
３０１、３０２ 紫外発光装置
３１ 紫外ＬＥＤ
３３ 回路基板
３５ 可視光発光部
３７ 封止材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型層と、前記ｐ型層に積層されたｎ型層と、前記ｐ型層と前記ｎ型層とに挟まれた発光層と、を含む窒化物半導体積層体と、
前記ｐ型層の表面上に設けられたｐ側電極と、
前記ｎ型層に接続されたｎ側電極と、
を備える窒化物系発光ダイオード素子であって、
前記ｐ側電極は、前記ｐ型層との接触面を有するオーミック接触層と、前記ｐ型層とで前記オーミック接触層を挟むように設けられた熱伝導性メタル層とを有しており、
前記窒化物半導体積層体の積層方向に直交する平面である素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積が、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積よりも大きいことを特徴とする窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記オーミック接触層と接する部分における前記ｐ型層の表面の貫通転位密度が１×１０７ｃｍ−２未満である、請求項１に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記窒化物半導体積層体の、前記発光層から見て前記ｎ型層側に、ＧａＮ基板が接合されている、請求項２に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項４】
前記ｐ型層の表面に、前記オーミック接触層と接する部分に比べて表面の貫通転位密度が高い高貫通転位密度部が存在しており、前記熱伝導性メタル層が前記高転位密度部の少なくとも一部を覆っている、請求項２または３に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記ｐ型層の表面と前記熱伝導性メタル層との間に、絶縁膜が部分的に挿入されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項６】
前記絶縁膜が前記ｐ型層より低い屈折率を有する透明薄膜である、請求項５に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項７】
前記接触面と前記ｎ側電極とが素子平面に平行な方向に重なりを有していない、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項８】
当該素子を平面視したとき、前記接触面上の任意の点から前記ｎ側電極までの距離が７５μｍ以内である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項９】
前記ｎ側電極が、前記窒化物半導体積層体から見て、前記ｐ側電極が形成された側とは反対側に配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１０】
前記素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積が、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積の１．５倍〜１０倍である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１１】
前記熱伝導性メタル層の総厚みが１μｍ〜１ｍｍである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１２】
前記オーミック接触層が、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜であるか、または、白金族元素を含むメタル薄膜である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１３】
前記オーミック接触層が、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜であり、前記熱伝導性メタル層が前記オーミック接触層に接する部分に高反射層を有している、請求項１２に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１４】
前記高反射層が、Ａｇ、ＡｌまたはＲｈを含む、請求項１１に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１５】
前記熱伝導性メタル層が前記接触面と向かい合う部分に開口部を有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１６】
前記熱伝導性メタル層が、Ａｕ層、Ｃｕ層、Ａｇ層またはＡｌ層の少なくともいずれかを含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１７】
前記熱伝導性メタル層が、ＣｕまたはＮｉからなる厚さ５μｍ〜１ｍｍの厚膜層を含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１８】
前記発光層が発する光の波長が４００ｎｍ未満である、請求項１〜１７に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１９】
請求項２〜６のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子に対して、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積当たり電流が１５０〜３００Ａ／ｃｍ２となるように電流を供給する発光方法。
【請求項１】
ｐ型層と、前記ｐ型層に積層されたｎ型層と、前記ｐ型層と前記ｎ型層とに挟まれた発光層と、を含む窒化物半導体積層体と、
前記ｐ型層の表面上に設けられたｐ側電極と、
前記ｎ型層に接続されたｎ側電極と、
を備える窒化物系発光ダイオード素子であって、
前記ｐ側電極は、前記ｐ型層との接触面を有するオーミック接触層と、前記ｐ型層とで前記オーミック接触層を挟むように設けられた熱伝導性メタル層とを有しており、
前記窒化物半導体積層体の積層方向に直交する平面である素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積が、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積よりも大きいことを特徴とする窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記オーミック接触層と接する部分における前記ｐ型層の表面の貫通転位密度が１×１０７ｃｍ−２未満である、請求項１に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記窒化物半導体積層体の、前記発光層から見て前記ｎ型層側に、ＧａＮ基板が接合されている、請求項２に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項４】
前記ｐ型層の表面に、前記オーミック接触層と接する部分に比べて表面の貫通転位密度が高い高貫通転位密度部が存在しており、前記熱伝導性メタル層が前記高転位密度部の少なくとも一部を覆っている、請求項２または３に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記ｐ型層の表面と前記熱伝導性メタル層との間に、絶縁膜が部分的に挿入されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項６】
前記絶縁膜が前記ｐ型層より低い屈折率を有する透明薄膜である、請求項５に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項７】
前記接触面と前記ｎ側電極とが素子平面に平行な方向に重なりを有していない、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項８】
当該素子を平面視したとき、前記接触面上の任意の点から前記ｎ側電極までの距離が７５μｍ以内である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項９】
前記ｎ側電極が、前記窒化物半導体積層体から見て、前記ｐ側電極が形成された側とは反対側に配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１０】
前記素子平面に対する前記熱伝導性メタル層の投影面積が、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積の１．５倍〜１０倍である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１１】
前記熱伝導性メタル層の総厚みが１μｍ〜１ｍｍである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１２】
前記オーミック接触層が、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜であるか、または、白金族元素を含むメタル薄膜である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１３】
前記オーミック接触層が、透明導電性酸化物を含む透光性薄膜であり、前記熱伝導性メタル層が前記オーミック接触層に接する部分に高反射層を有している、請求項１２に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１４】
前記高反射層が、Ａｇ、ＡｌまたはＲｈを含む、請求項１１に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１５】
前記熱伝導性メタル層が前記接触面と向かい合う部分に開口部を有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１６】
前記熱伝導性メタル層が、Ａｕ層、Ｃｕ層、Ａｇ層またはＡｌ層の少なくともいずれかを含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１７】
前記熱伝導性メタル層が、ＣｕまたはＮｉからなる厚さ５μｍ〜１ｍｍの厚膜層を含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１８】
前記発光層が発する光の波長が４００ｎｍ未満である、請求項１〜１７に記載の窒化物系発光ダイオード素子。
【請求項１９】
請求項２〜６のいずれか一項に記載の窒化物系発光ダイオード素子に対して、前記素子平面に対する前記接触面の投影面積当たり電流が１５０〜３００Ａ／ｃｍ２となるように電流を供給する発光方法。
【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】
【公開番号】特開２０１３−１２７０９（Ｐ２０１３−１２７０９Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４３７２６（Ｐ２０１２−４３７２６）
【出願日】平成２４年２月２９日（２０１２．２．２９）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月２９日（２０１２．２．２９）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
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