JP2000174339A

JP2000174339A - ＧａＮ系半導体発光素子およびＧａＮ系半導体受光素子

Info

Publication number: JP2000174339A
Application number: JP34623798A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Koto; 雅弘湖東; Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Yoichiro Ouchi; 洋一郎大内; Kazuyuki Tadatomo; 一行只友
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1998-12-04
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】光を取り出す側の電極の構造を改善し、より
発光特性の優れたＧａＮ系発光素子を提供し、また、光
を取り入れる側の電極の構造を改善し、より受光特性の
優れたＧａＮ系受光素子を提供すること。【解決手段】上部電極Ｐ１の形成パターンを、該電極
Ｐ１がコンタクト層Ｓ３の上面を覆う被覆領域と、層Ｓ
３の上面を覆わず露出させる露出領域とが交互に並んだ
繰り返し部分を有する形成パターンとして、この繰り返
し部分において、被覆領域の幅をＷ、露出領域の幅を
Ｇ、コンタクト層Ｓ３の上面から発光層Ｓ２までの深さ
をｄ、コンタクト層の屈折率をｎ１、外界の屈折率をｎ
２として、Ｗ≦１０μｍ、Ｗ≦２Ｇ、Ｇ≦ｄ×ｔａｎθ
１（ただし、θ１＝ｓｉｎ^-1（ｎ２／ｎ１））満足させ
る。また、その他種々の上部電極の態様を付与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ系半導体材
料を用いた半導体発光素子、受光素子の技術分野に属す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系発光素子は、ＧａＮ系材料を用
いた半導体発光素子であって、近年高輝度の発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）が実現されたのを機会に研究が活発に行
われており、半導体レーザの室温連続発振の報告も聞か
れる様になっている。ＧａＮ系とは、Ｉｎ_aＧａ_bＡｌ
_cＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋
ｃ＝１）で表される化合物半導体を意味する。

【０００３】以下、本明細書では、素子の説明のため
に、結晶基板が下層側に位置しこれにＧａＮ系結晶層が
上方へ積み重ねられるものとして、素子の積層構造に上
下方向の区別を設け、「上層」「上面」「上方」などの
語句を用いる。

【０００４】ＧａＮ系発光素子の一般的な構造は、図８
に示すように、結晶基板１０上に、ｐｎ接合による発光
層２２を含むＧａＮ系結晶層の積層体２０を成長させた
構造を有する。電極は、積層体２０の最上層の結晶層を
オーミック電極を形成するためのコンタクト層として、
その上に上部電極Ｐ１０（通常ｐ型）が形成される。ま
た発光層よりも下側にある下部電極は、通常は結晶基板
（サファイア結晶基板）が絶縁性であるために、積層体
２０の一部を除去して、下側のコンタクト層２１を部分
的に露出させ、その面に下部電極Ｐ２０（通常ｎ型）が
形成される。

【０００５】発光層から発せられた光を上方に放出させ
る場合、上部電極の形態パターンとして、図８（ｂ）に
示す様な、櫛（くし）形パターンや、図８（ｃ）に示す
様な、透光性電極の態様が挙げられる。図８（ｂ）のく
し形パターンの電極は、発光面上に部分的に電極を設け
た構造の一態様で、電流を拡散し、電極のない開口部か
ら発光した光を取り出す構造になっている。図８（ｃ）
の透光性電極は、電極材料を薄膜状に形成して透光性を
持たせたものであり、電極直下での発光を透光性電極を
通して外に取り出す構造になっている。いずれも、積層
体内に流れる電流をより多く、より広げながらも、一方
では、上部電極を形成する面からより多くの光を外部へ
放出しようとした構成である。

【０００６】一方、ｐｎ接合による光起電力を取り出す
タイプのＧａＮ系受光素子の構造においても、受光対象
光を入射させる側の電極（上部電極）を、くし形パター
ンの電極や、透光性電極の態様とする場合がある。これ
は、いずれも、上部電極を形成する面からより多くの受
光対象光を素子内へ広く入射させようとしながらも、一
方では、内部のｐｎ接合で発生した光起電力をより効率
よく多く集めようとする構成である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＧａＮ
系発光素子、ＧａＮ系受光素子では、電極の幅や電極間
の間隙に対してなんら数値的な規定がない。例えば、発
光素子において、くし形パターンの電極のように部分的
に設けられた上部電極の構造では、電流はほぼ電極直下
のみにしか流れず、発光層での発光は電極直下のみとな
る。従って、くし形パターンの電極の態様であっても、
最も強く発光する部分の直上には電極の導体部分が存在
し、光を上方に取り出す際には、電極の導体部分での反
射・吸収によって取り出し効率が悪いということにな
る。

【０００８】発光素子において、透光性電極を用いた態
様では、透光性を確保するためにその膜厚を最小限に抑
える必要がある。しかし膜厚が小さくなると、その電極
のシート抵抗が増加するため、電極での電圧降下が大き
くなってしまう。またシート抵抗が極端に大きくなる
と、電流が面の拡張する方向に十分に広がらず、その結
果部分的にしか発光しなくなってしまう。また逆に電極
膜厚を大きくすると、シート抵抗は小さくなるが、透光
性が低下し、発光した光の外部への取り出し効率が悪く
なってしまう。

【０００９】また、受光素子においては、くし形パター
ンの電極では、露出部（電極間隔）が狭すぎると感度が
悪くなり、逆に広すぎるとキャリアの発生を電極に取り
出すのに損失を受け、感度が悪くなる。また、透光性電
極では、受光対象光をより多く素子内に入れるために膜
厚を薄くすると、その電極のシート抵抗が増加し、微量
な電流を高密度に集めることができない。逆に電極膜厚
を大きくすると、シート抵抗が小さくなるが、透光性が
低下し、受光対象光の入射量が減少する。

【００１０】本発明の課題は、ＧａＮ系発光素子におい
て、光を取り出す側の電極の構造を改善し、より発光特
性の優れた素子を提供することである。

【００１１】また、本発明の他の課題は、ＧａＮ系受光
素子において、光を取り入れる側の電極の構造を改善
し、より受光特性の優れた素子を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のＧａＮ系半導体
発光素子およびＧａＮ系半導体受光素子は、以下の特徴
を有するものである。（１）ＧａＮ系材料からなる発光層を有するＧａＮ系半
導体発光素子であって、発光層に対し光が外界へ出てい
く側を上部側として、発光層の上部側には、電極を形成
するためのＧａＮ系材料からなるコンタクト層を介して
上部電極が設けられ、該上部電極の形成パターンは、該
電極がコンタクト層上面を覆う被覆領域と、該電極がコ
ンタクト層上面を覆わず露出させる露出領域とが交互に
並んだ繰り返し部分を有する形成パターンであって、前
記繰り返し部分において、繰り返しの方向に関する個々
の被覆領域の幅をＷとし個々の露出領域の幅をＧとし、
コンタクト層上面から発光層までの深さをｄ、コンタク
ト層の屈折率をｎ１、外界の屈折率をｎ２とするとき、
Ｗ≦１０μｍ、Ｗ≦２Ｇ、Ｇ≦ｄ×ｔａｎθ１（ただ
し、θ１＝ｓｉｎ^-1（ｎ２／ｎ１））、であることを特
徴とするＧａＮ系半導体発光素子。

【００１３】（２）ＧａＮ系材料のｐｎ接合によって光
電流に係るキャリアを発生する光検出層を有するＧａＮ
系半導体受光素子であって、光検出層に対し受光対象光
が入射する側を上部側として、光検出層の上部側には、
電極を形成するためのＧａＮ系材料からなるコンタクト
層を介して上部電極が設けられ、該上部電極の形成パタ
ーンは、該電極がコンタクト層上面を覆う被覆領域と、
該電極がコンタクト層上面を覆わず露出させる露出領域
とが交互に並んだ繰り返し部分を有する形成パターンで
あって、前記繰り返し部分において、繰り返しの方向に
関する個々の被覆領域の幅をＷとし個々の露出領域の幅
をＧとし、コンタクト層上面から発光層までの深さを
ｄ、コンタクト層の屈折率をｎ１、外界の屈折率をｎ２
とするとき、Ｗ≦１０μｍ、Ｗ≦２Ｇ、Ｇ≦ｄ×ｔａｎ
θ１（ただし、θ１＝ｓｉｎ^-1（ｎ２／ｎ１））、であ
ることを特徴とするＧａＮ系半導体受光素子。

【００１４】（３）ＧａＮ系材料からなる発光層を有す
るＧａＮ系半導体発光素子であって、発光層に対し光が
外界へ出ていく側を上部側として、発光層の上部側に
は、電極を形成するためのＧａＮ系材料からなるコンタ
クト層を介して上部電極が設けられ、該上部電極が、発
光層からの光を透過し得るように薄膜とされた透光性電
極と、該透光性電極よりも大きい電流が電極形成面の方
向に通過可能とされた幹線用電極とが、交互に並んだ部
分を有することを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。

【００１５】（４）透光性電極がオーミック電極であっ
て、幹線用電極がショットキー電極である上記（３）記
載のＧａＮ系半導体発光素子。

【００１６】（５）コンタクト層の内部における、幹線
用電極の直下で該電極に接した部位に、または上記幹線
用電極の直下で該電極から離れた部位に、電流の妨害と
なり得る電流阻止層が形成されている上記（３）記載の
ＧａＮ系半導体発光素子。

【００１７】（６）ＧａＮ系材料のｐｎ接合によって光
電流に係るキャリアを発生する光検出層を有するＧａＮ
系半導体受光素子であって、光検出層に対し受光対象光
が入射する側を上部側として、光検出層の上部側には、
電極を形成するためのＧａＮ系材料からなるコンタクト
層を介して上部電極が設けられ、該上部電極が、受光対
象光を透過し得るように薄膜とされた透光性電極と、該
透光性電極よりも大きい電流が電極形成面の方向に通過
可能とされた幹線用電極とが、交互に並んだ部分を有す
ることを特徴とするＧａＮ系半導体受光素子。

【００１８】（７）ＧａＮ系材料からなる発光層を有す
るＧａＮ系半導体発光素子であって、発光層に対し光が
外界へ出ていく側を上部側として、発光層の上部側に
は、電極を形成するためのＧａＮ系材料からなるコンタ
クト層を介して上部電極が設けられ、該上部電極の形成
パターンは、該電極がコンタクト層上面を覆う被覆領域
と、該電極がコンタクト層上面を覆わず露出させる露出
領域とが交互に並んだ繰り返し部分を有する形成パター
ンであって、コンタクト層上面のうち、露出領域には凹
部が設けられていることを特徴とするＧａＮ系半導体発
光素子。

【００１９】ＧａＮ系とは、Ｉｎ_aＧａ_bＡｌ_cＮ（０
≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）
で示される化合物半導体を意味する。

【００２０】

【作用】上記（１）の発光素子の態様では、上部電極の
繰り返し部分（具体的には、くし形パターンの電極の
「くしの歯」に相当する部分）において、上記（１）の
ように、Ｗ、Ｇ、ｄ、ｎ１、ｎ２を、Ｗ≦１０μｍ、
Ｗ≦２Ｇ、Ｇ≦ｄ×ｔａｎθ１、と規定している。
これら〜の限定が揃うことによって、発光層から発
せられた光を電極での反射・吸収が最小限に抑えられ、
光取り出し効率が向上する。これを図２で簡単に説明す
る。

【００２１】上記ととの限定は、被覆領域（電極Ｐ
１の幅）を数値限定するとともに、被覆領域と露出領域
との比の好ましい大小関係を限定したものである。上記
の限定によって、先ず、電流の注入口の大きさの好ま
しい数値範囲が限定され、これに上記の限定が加えら
れて、光の放出口の大きさの好ましい数値範囲および電
流の注入口との関係が限定される。上記において２Ｇ
＜Ｗでは、上部ｐクラッド層により外部に光を取り出す
領域が小さくなり、つまり、外部取り出し効率が悪くな
り、好ましくない。

【００２２】上記との限定によって、外界に出てい
く光にとって好ましい開口と障害の関係が確定し、しか
もその障害から直下にｄだけ離れた部分では光が発生す
る。この条件を揃えた上で、上記の限定が加えられ
る。これは、図２に示すように、屈折の法則に基づくｄ
とＧとの好ましい関係である。上部電極下面から直下に
ｄだけ離れて位置する発光層から発せられた光Ｌ１は、
屈折角θ１をもってＧａＮ系結晶層から外界に出てい
く。このとき、Ｇ≦ｄ×ｔａｎθ１とすることによっ
て、図２中、ｍ１（電極中心直下）からｍ２（電極端部
直下）までの間で発せられた光Ｌ１を、層Ｓ３の上面
（Ｇの領域）全域で外部に取り出せる。それより左の上
面では全反射され、光が出てこない。

【００２３】上記（２）の受光素子の態様では、Ｗ、
Ｇ、ｄ、ｎ１、ｎ２を上記（２）のように、Ｗ、Ｇ、
ｄ、ｎ１、ｎ２を、Ｗ≦１０μｍ、Ｗ≦２Ｇ、Ｇ
≦ｄ×ｔａｎθ１（ただし、θ１＝ｓｉｎ^-1（ｎ２／ｎ
１））と規定することによって、光検出層への光の量を
充分に確保でき、かつ発生したキャリアを効率よく集め
ることができ、感度が向上する。

【００２４】上記（３）の発光素子の態様では、透光性
電極と、幹線用電極とを、交互に配置することにより、
発光層上部における電圧降下を最小限に抑え、幹線用電
極を通じて透光性電極全体に電流を行き渡らせることが
できる。その結果、発光層全域に充分に電流が流れ、全
面が発光する。

【００２５】上記（３）の発光素子の態様にさらに加え
て、上記（４）、（５）の態様として、幹線用電極とコ
ンタクト層との間で直接的に流れる電流を抑制すること
で、図６（ａ）、（ｂ）に電流経路を矢印で示すよう
に、電流は、幹線用電極直下には流れず、透光性電極の
直下に流れるので、発光した光の透光性電極からの取り
出し効率が良くなる。

【００２６】上記（６）の受光素子の態様では、透光性
電極と、幹線用電極とを、交互に配置することにより、
透光性電極の直下で発生した電流を、透光性電極で受け
た後、速やかに幹線用電極に集めることができ、応答速
度、感度が向上する。

【００２７】上記（７）の発光素子の態様では、上部側
のコンタクト層上面のうちの露出領域に凹部を設けたこ
とによって、発光層までの層の厚みが薄くなり、発光層
から発せられた光がコンタクト層で減衰するのを防止で
き、光取り出し効率が高くなる。これによって、例え
ば、発光層での発光波長を３５０ｎｍのような紫外線と
する場合でも、ｐ型コンタクト層にＧａＮを用いること
ができる。一方、電極下部については、発光層までの層
の厚みは充分に厚く確保されているため、電極材が発光
層へ拡散することによる寿命の低下が防止できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】先ず、上記（１）の発光素子の態
様について説明する。図１は、上記（１）の発光素子の
構成例を示す図であって、発光層としてダブルヘテロ接
合構造（ＤＨ構造）を有するＧａＮ系発光ダイオード
（ＬＥＤ）を示している。以下、素子構造を説明する際
には、サファイア基板上にＧａＮ系結晶層を成長させた
構成例を用い、上部電極をｐ型、下部電極をｎ型として
説明するが、これに限定されず、ｐ型、ｎ型の上下が逆
の態様や、導電性を有する結晶基板を用いて電極の位置
を変更した態様などは、自由に組み合わせてよい。

【００２９】同図の例では、図１（ａ）に示すように、
結晶基板１上にバッファ層（図示せず）を介して、ｎ型
コンタクト層とｎ型クラッド層とを兼ねるｎ型ＧａＮ層
Ｓ１、ＩｎＧａＮ活性層Ｓ２、ｐ型コンタクト層とｐ型
クラッド層とを兼ねるｐ型ＧａＮ層Ｓ３が形成されてお
り、この積層体の一角が部分的にエッチングされてｎ型
ＧａＮ層Ｓ１が露出した構造となっている。この露出し
たｎ型ＧａＮ層Ｓ１には、下部電極（ｎ型電極）Ｐ２が
形成され、エッチングで残された積層体の最上面には上
部電極（ｐ型電極）Ｐ１が形成されている。

【００３０】上部電極Ｐ１の形成パターンは、図１
（ｂ）に示すように、くし形パターンの電極となってお
り、コンタクト層の上面においては、「くしの歯」に相
当する部分に覆われた領域が被覆領域であり、「くしの
歯」の間隙に相当する部分が露出領域である。被覆領域
と露出領域は縞状に交互に並んだ繰り返し部分となって
いる。上部電極Ｐ１のうち突起した部分Ｐ１ａは、ワイ
ヤーボンディング用に用いられるボンディング用電極で
ある。図１（ｂ）に示す上部電極のＡ−Ａ断面のうち、
繰り返し部分を拡大したものが図２である。図２に示す
ように、電極幅をＷ、電極間の間隙をＧ、コンタクト層
の屈折率をｎ１、外界（通常、大気）の屈折率をｎ２、
ｐ型コンタクト層上面から発光層までの距離をｄとし
て、上記作用の説明で述べたように、〜の限定がな
されている。

【００３１】繰り返し部分の電極の形成パターンは、く
し形パターンであっても良いし、図３（ａ）に示すよう
な格子状、図３（ｂ）に示すような同心の円弧状、その
他、同心円状など、被覆領域と露出領域とが交互に繰り
返すパターンであればよい。また、同一周期で繰り返す
だけでなく、上記〜の限定の範囲内ならば、被覆領
域と露出領域とが、規則的にまたは不規則に変化して、
交互に配置されるパターンであってもよい。

【００３２】上部電極の繰り返し部分の厚みは限定され
ないが、厚すぎると光の通過の障害となるため、０．０
１μｍ〜２μｍ程度が好ましい範囲である。また、上部
電極に透光性を持たせれば、電極を通して発光を取り出
せるので好ましい。

【００３３】電極材料は、電極／半導体層界面での電圧
降下を抑制するために、オーミック性の材料がよく、公
知の材料を用いてよい。例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐ
ｄ、Ｉｒ、Ｃｏ、Ｃなどの中から一つ以上の単体あるい
は積層構造、合金を用いる態様が挙げられる。

【００３４】発光素子中における、発光のメカニズムに
直接関係する構造としては、単純なｐｎ接合による２層
（ＨＯＭＯ、ＳＨ）、ＤＨ（ダブルヘテロ接合）による
３層の他、超格子構造を有するＳＱＷ (Single Quantum
Well)、ＭＱＷ (Multiple Quantum Well)、量子ドット
を有する構造などが挙げられる。このなかで、本発明で
いう発光層とは、２層のｐｎ接合の場合では接合の界面
に生じる空乏層であり、ＤＨでは活性層である。また、
ＳＱＷ、ＭＱＷ、量子ドット構造の場合は、バリア層と
ウエル層とを含んだ井戸型ポテンシャルの構造全体が発
光層である。

【００３５】ｐ型コンタクト層上面から発光層までの距
離ｄとは、発光層が活性層の場合には、コンタクト層上
面から活性層の上面までの距離である。また、発光層
が、ＳＱＷ、ＭＱＷ、量子ドット構造の場合も、コンタ
クト層上面から、井戸型ポテンシャル構造の上面、即
ち、バリア層のうちの最上層の上面までの距離である。
２層のｐｎ接合の界面に生じる空乏層を発光層とする場
合のみ、近似的に、コンタクト層上面からｐｎ接合の界
面までの距離をｄとする。

【００３６】コンタクト層は、オーミック電極を形成す
るために独立して設けられたＧａＮ系結晶層、また、図
１のようにクラッド層と兼用する層、ｐｎ接合を構成す
る一方の層であってよい。いずれの場合であっても、発
光層からの光を吸収しないように、該光よりも大きなバ
ンドギャップの材料が用いられる。

【００３７】コンタクト層の屈折率ｎ１は、コンタクト
層の材料によっても異なるが、例えば、波長４５０ｎｍ
の光に対して、ＧａＮでは２．４９３、Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎでは２．４２６などとなる。外界の屈折率ｎ２
は、コンタクト層上面を屈折の界面として、その外側を
取り巻く部分（真空または物質）の屈折率である。最も
一般的な使用環境である大気中での使用の場合には、空
気の屈折率ｎ２＝１となる。

【００３８】コンタクト層の材料にはＧａＮ系材料が用
いられるが、発光層から発せられた光のエネルギーより
も大きなバンドギャップの材料を用い、光を吸収させな
いようにするのがよい。例えば、紫外線発光の場合は、
バンドギャップの大きなＡｌＧａＮが望ましい。ただし
Ａｌ組成を高くすると発光側電極がオーミック特性を得
にくくなる。

【００３９】オーミック電極とは、好ましくは、金属−
半導体の接触が整流特性を示さないものであって、例え
ば、Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ著（南日康夫ら訳）“半導体デバイ
ス”，産業図書（初版第３刷、１６３頁）の記載が参照
される。

【００４０】ＧａＮ系結晶を成長させる方法は、ＨＶＰ
Ｅ、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ法などが挙げられ、特に、ＭＯ
ＣＶＤ・ＭＢＥ法が好ましい。

【００４１】上記（２）の受光素子の態様については、
素子としての構造は図１と同様である。また、発光層を
光検出層とし、外界からの受光対象光がコンタクト層上
面の露出領域から素子内に入射するとして、上部電極、
ｐ型コンタクト層などの各部の説明は上記（１）の説明
を準用する。

【００４２】次に上記（３）の発光素子の態様について
説明する。素子全体の積層構造については、上部電極の
構造以外は、上記（１）の発光素子と同様であり、図１
（ａ）の構造、図８の従来の素子の構造などが参照され
る。この発光素子の上部電極Ｐ１は、図５（ａ）に示す
ように、透光性電極Ｐ１１と、幹線用電極Ｐ１２とが交
互に互いに導通状態となるよう接触しながら並んだ部分
を有する。透光性電極Ｐ１１は、発光層からの光を透過
し得るように薄膜とされた電極である。幹線用電極Ｐ１
２は、透光性電極Ｐ１１中を、面方向に流れる電流より
も大きい電流が同方向に通過可能とされた電極、即ち、
シート抵抗のより小さい電流供給用の電極である。面方
向とは、電極形成面（コンタクト層の上面）が拡張する
方向である。また、図５（ａ）に示す、ＧａＮ系結晶層
の積層構造は、ｎ型クラッド層Ｓ１、活性層Ｓ２、ｐ型
クラッド層（＝コンタクト層）Ｓ３である。

【００４３】透光性電極の材料は、電極／半導体層界面
での電圧降下を抑制するために、オーミック性の材料が
よく、上記（１）の発光素子で示した材料を用いること
ができる。透光性電極の厚さは、透光性を確保するため
に、０．００５μｍ〜０．０５μｍが好ましい。

【００４４】幹線用電極は、材料自体は透光性電極と同
じものを用いてよいが、透光性電極を流れる電流よりも
大きい電流が通過可能なように、即ち、透光性電極より
もシート抵抗が低いように形成する。具体的には、より
厚く形成する態様が挙げられ、その場合には、充分な電
流量を確保するために、０．０１μｍ〜２μｍが好まし
い。

【００４５】幹線用電極と透光性電極との形成パター
ン、即ち、コンタクト層上面における互いの組み合わせ
パターンは限定されない。図５（ｂ）に示す例では、コ
ンタクト層上面を、幹線用電極Ｐ１２によって大きく３
つの正方形の区画に分割し、各正方形の区画に透光性電
極Ｐ１１を設けている。その他、幹線用電極のパターン
を、図１（ｂ）のくし型、図３（ａ）の格子状、図３
（ｂ）の同心の円弧状、同心の円状、放射状などのパタ
ーンとし、各々の幹線用電極の間隙に透光性電極を設け
たパターンとしてもよい。特に、図４（ａ）や図４
（ｂ）に示すように、ｎ電極Ｐ２に対して距離が同じに
なるように各々の幹線用電極を配置すると、発光が均一
になってよい。また、上記（１）の発光素子の上部電極
の限定条件のうちＷ≦１０μｍ、Ｗ≦２Ｇ、を適用して
もよい。

【００４６】上記作用の説明で述べたように、この
（３）の発光素子では、幹線用電極とコンタクト層との
間で直接的に流れる電流を抑制し、透光性電極の下方に
電流を流す態様が挙げられる。具体的に、電流を抑制す
るには、幹線用電極をショットキー性のものとする態
様、図６（ｂ）に示すように、コンタクト層Ｓ３の内部
において、幹線用電極の直下に、電流の妨害となり得る
電流阻止層Ｑを設ける態様が挙げられる。電流阻止層Ｑ
は、電極に接して（即ち、コンタクト層上面に露出させ
て）設けてもよく、また、幹線用電極の直下で該電極か
ら離れた部位に設けてもよい。

【００４７】幹線用電極をショットキー性として形成す
るには、ｐ型層の場合、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｓｉなどの
中から単体、または複数の材料を選択して用いればよ
い。ショットキー性電極の形成方法は限定されないが、
透光性電極を形成し、これに電極アニールにてオーミッ
ク性を持たせた後、幹線用電極をショットキー電極とし
て形成する手順が好ましい。

【００４８】電流阻止層は、上記のように、コンタクト
層上面に露出した状態とするか、コンタクト層内に埋設
された状態として、部分的に設ける。電流阻止の作用を
得るためには、周囲と異なる導電型（ｐ型コンタクト層
の場合はｎ型）とする態様、アンドープなどによって高
抵抗なＧａＮ系結晶層とする態様、絶縁材料（例えばＳ
ｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃など）を用いる態様な
どが挙げられる。

【００４９】上記（６）の受光素子の態様については、
素子としての積層構造は図１と同様である。上部電極の
構造については、上記（３）の発光素子の説明を準用す
る。ただし、受光素子であるために、上記（３）の発光
素子とは異なり、幹線用電極をショットキー性にする態
様、幹線用電極の直下に電流阻止層を設ける態様などは
不要である。また、上記（２）の受光素子、上記（６）
の受光素子ともに、素子構造は、ｐｉｎ構造タイプでも
ｐｎ接合タイプでも良い。発明の意図を満たすならば別
構造であっても良い。

【００５０】次に、上記（７）の発光素子の態様につい
て説明する。素子全体の積層構造については、上部電
極、コンタクト層の構造以外は、上記（１）、（３）の
発光素子と同様であり、これらの説明を準用する。図１
（ａ）の構造、図８の従来の素子の構造などが参照され
る。この発光素子には、上部電極だけでなくコンタクト
層にも構造上の特徴がある。即ち、上部電極の形成パタ
ーンは、上記（１）の発光素子の場合と同様、被覆領域
と露出領域とが交互に並んだ繰り返し部分を有する形成
パターンであって、図７に示すように、ｐ型コンタクト
層（＝ｐ型クラッド層）Ｓ３の上面Ｓ３１（一点鎖線で
示している）には、露出領域に凹部Ｓ３２が設けられて
いることを特徴とする。

【００５１】上部電極は、オーミック電極であればよ
く、厚さにも規定はないが、光が透過する程度の厚さに
すると上部電極の直下からの発光も取り出し可能となる
ため好ましい。上部電極の形成パターンは、図１（ｂ）
のくし型、図３（ａ）の格子状、図３（ｂ）の同心の円
弧状、同心の円状、放射状などのパターンが挙げられ
る。

【００５２】図７に示すｐ型コンタクト層の厚さ、即
ち、凹部ではない部分の厚さは、限定されないが、電極
材が発光層に拡散することによる素子寿命低下を起こさ
ない程度に厚くするのがよい。一方、コンタクト層が厚
すぎると、溝形成に時間がかかるなどの問題があるた
め、０．１μｍ〜５μｍ程度の範囲がよい。

【００５３】凹部は、ｐ型コンタクト層Ｓ３の上面Ｓ３
１のうち、露出領域に設けられるが、この領域をより大
きく占有するように設けるのが好ましい。従って、凹部
の形態は、露出領域の形状に従って、溝が縞状に並んだ
状態や、単発的な穴が分散した状態などとなる。

【００５４】凹部の底面から発光層の上面までの厚さ
は、発光部からの光の取り出し量を多くするためには薄
い程良い。即ち、凹部は、活性層上面に達するほど深く
形成してもよい。しかし、凹部の形成工程を考慮する
と、凹部が深すぎると形成時の歩留まりが悪くなる。

【００５５】上部電極をクシ形のパターンとする場合、
繰り返し部分の寸法は、発光素子の規模などにもよる
が、「くしの歯」に相当する部分の電極の幅を０．１μ
ｍ〜１０μｍ程度とし、導体間の隙間の幅を０．１μｍ
〜１０μｍとするのが好ましい。

【００５６】凹部形成法はどの様な方法でも良いが、エ
ッチング時の制御性を考えるとリアクティブイオンエッ
チング（ＲＩＥ）法が一番に挙げられる。このＲＩＥを
行う際、凹部以外をエッチングしないようマスクを用い
るが、発光側電極そのものをマスクとして用いると工程
が簡略化でき非常によい。更にマスク材として用いてい
る電極の厚みがエッチング終了時に透明となる程度に制
御すると良い。

【００５７】

【実施例】実施例１本実施例では、上記（１）の発光素子として図１に示す
構造のものを実際に製作した。〔結晶基板、およびバッファ層〕結晶基板としてはサフ
ァイアＣ面結晶基板を用いた。まずこの基板をＭＯＣＶ
Ｄ装置内に配置し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温
し、サーマルエッチングを行った。その後窒素雰囲気に
切り替え、温度を５００℃まで下げ原料としてトリメチ
ルガリウム（以下ＴＭＧ）を、Ｎ原料としてアンモニア
を流し、ＧａＮ低温バッファ層を成長させた。

【００５８】〔ＤＨ構造〕温度を１０００℃に昇温し、
原料としてＴＭＧ・アンモニアを、ドーパントとしてシ
ランを流し、図１（ａ）におけるｎ型コンタクト層（ｎ
型クラッド層）であるｎ型ＧａＮ層Ｓ１を３μｍ成長さ
せた。続いて、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＴＭ
Ｇ、アンモニア、シランを流し、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活
性層Ｓ２を形成した。さらに、ＴＭＧ・アンモニア・ビ
スシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を
流し、ｐ型コンタクト層（ｐ型クラッド層）であるｐ型
ＧａＮ層Ｓ３を５．０μｍ（＝ｄ）成長させた。その後
雰囲気ガスを窒素に切り換え室温まで徐冷しサンプルを
作製した。

【００５９】成長後、ｐ型コンタクト層Ｓ３の上面に、
スパッタにより厚さ２０００ÅのＳｉＯ₂膜を形成し、
その上にフォトリソグラフィによりフォトレジストをパ
ターニング形成し、ドライエッチングにより部分的にｎ
型コンタクト層Ｓ１が露出するまで５．５μｍエッチン
グし、図１（ａ）に示すような積層構造体とした。

【００６０】〔電極の形成〕ｐ型コンタクト層上面のＳ
ｉＯ₂膜に対して、フォトリソグラフィ技術によりくし
型のパターンを形成し、電子ビーム蒸着により、厚さ５
００ÅのＮｉ層、その上に厚さ１０００ÅのＡｕ層を形
成した。そしてリフトオフにより、くし型パターンの電
極Ｐ１とした。この時の「くしの歯」の部分の電極幅
（被覆領域の幅Ｗ）は２μｍ、電極間の間隔（露出領域
の幅Ｇ）は２μｍであった。同様にして、ｎ型電極Ｐ２
として、厚さ２００ÅのＴｉ層、その上に厚さ２３００
ÅのＡｌ層を形成した。更に各電極のオーミック性を得
るため６００℃×１０ｍｉｎ電極アニールした。

【００６１】上部電極Ｐ１のうちのボンディング電極Ｐ
１ａは、上記と同様にして、厚さ５００ÅのＮｉ層、そ
の上に厚さ１５００ÅのＡｕ層を形成し、リフトオフに
より形成した。この試料を、チップに分断し、上記
（１）の発光素子として、ＧａＮ系ＬＥＤを得た。

【００６２】得られた発光素子は、Ｗ＝２μｍ、Ｇ＝２
μｍ、ｄ＝５．０μｍであって、Ｗ≦１０μｍ、Ｗ≦２
Ｇ、Ｇ≦ｄ×ｔａｎθ１（ただし、θ１＝ｓｉｎ^-1（１
／２．４９３））を満足している。このＬＥＤをＴｏ−
１８ステム台にマウントし、出力を測定したところ、波
長４５０ｎｍ、２０ｍＡで、２．５ｍＷであり、図８に
示すような従来の発光素子に比べて、同じ電流、電圧
で、高い発光出力が得られた。

【００６３】実施例２本実施例では、くし形パターンの「くしの歯」の部分の
電極幅（被覆領域の幅Ｗ）を１μｍ、電極間の間隔（露
出領域の幅Ｇ）を１μｍとしたこと以外は、実施例１と
同様の発光素子を形成した。得られた発光素子は、Ｗ＝
１μｍ、Ｇ＝１μｍ、ｄ＝５．０μｍであって、Ｗ≦１
０μｍ、Ｗ≦２Ｇ、Ｇ≦ｄ×ｔａｎθ１（ただし、θ１
＝ｓｉｎ^-1（１／２．４９３））を満足している。

【００６４】このＬＥＤを、Ｔｏ−１８ステム台にマウ
ントし、出力を測定したところ、波長４５０ｎｍ、２０
ｍＡで、３．０ｍＷであり、実施例１の発光素子に比べ
て発光強度が同等であることがわかった。

【００６５】実施例３本実施例では、上記（３）の発光素子として図１（ａ）
に示す積層構造、図５に示す上部電極構造のものを実際
に製作した。結晶基板、バッファ層、ＧａＮ系結晶層Ｓ
１、Ｓ２、Ｓ３の積層までは、実施例１と同様である

【００６６】〔透光性電極〕ｐ型コンタクト層（＝ｐ型
クラッド層）Ｓ３上に透光性電極を作製した。先ず、フ
ォトリソグラフィ技術により後工程で形成する幹線用電
極のためのパターンを形成し、電子ビーム蒸着により、
厚さ２５ÅのＮｉ層、その上に厚さ２５ÅのＡｕ層を形
成した。そしてリフトオフにより幹線用電極のパターン
が抜けた透光性電極を形成した。幹線用電極のパターン
は、図５（ｂ）に示す通りである。同様にして、ｎ型電
極Ｐ２として、厚さ２００ÅのＴｉ層、その上に厚さ２
３００ÅのＡｌ層を形成した。更に各電極のオーミック
性を得るため６００℃×１０ｍｉｎ電極アニールした。

【００６７】幹線用電極は、フォトリソグラフィー技術
によりパターニングし、電子ビーム蒸着により厚さ２０
０ÅのＴｉ層、その上に厚さ２３００ÅのＡｌ層を積層
し、リフトオフにより形成した。幹線用電極の幅は、前
記透光性電極に設けた溝の幅よりも大きく、図６（ｂ）
に示すように、幹線用電極の側部が透光性電極の上面に
乗り上げて一部が重なり、互いに充分に導通するように
した。

【００６８】上部電極Ｐ１のうちのボンディング電極Ｐ
１ａは、実施例１と同様にして、厚さ５００ÅのＮｉ
層、その上に厚さ１５００ÅのＡｕ層を形成し、リフト
オフにより形成した。この試料をチップに分断し、上記
（３）の発光素子として、ＧａＮ系ＬＥＤを得た。

【００６９】このＬＥＤを、Ｔｏ−１８ステム台にマウ
ントし、出力を測定したところ、波長４５０ｎｍ、２０
ｍＡで、３．０ｍＷであり、幹線用電極のない従来の透
明電極だけのＬＥＤに比べ、順方向電圧が低下し、面内
均一な発光が得られ、発光出力が向上した。

【００７０】実施例４本実施例では、幹線用電極直下のｐ型コンタクト層の表
面に、電流阻止層としてＳｉＯ₂層を形成したこと以外
は、実施例３と同様に発光素子を形成した。ＳｉＯ₂層
は、透光性電極を形成する前にフォトリソグラフィ技
術、スパッタ、リフトオフにより、ＳｉＯ₂層の上面と
ｐ型コンタクト層の上面とが同一になるように形成し
た。

【００７１】チップに分断し、上記（３）の発光素子の
バリエーションとしてのＧａＮ系ＬＥＤを得た。このＬ
ＥＤを、Ｔｏ−１８ステム台にマウントし、出力を測定
したところ、波長４５０ｎｍ、２０ｍＡで、３．０ｍＷ
であり、実施例３のＬＥＤに比べ、同等の発光強度が得
られた。

【００７２】実施例５本実施例では、上記（７）の発光素子として、図１
（ａ）に示す積層構造、図７に示す、上部電極構造およ
びｐ型コンタクト層構造を有するＧａＮ系ＬＥＤを実際
に製作した。結晶基板、バッファ層、ＧａＮ系結晶層Ｓ
１、Ｓ２、Ｓ３の積層までは、実施例１と同様の工程で
ある。ただし、ｐ型ＧａＮコンタクト層Ｓ３の層厚を
０．５μｍとした。

【００７３】得られたサンプルをドライエッチングによ
りｐ型ＧａＮコンタクト層Ｓ３と活性層Ｓ２の一部をエ
ッチング除去し、ｎ型コンタクト層Ｓ１を露出させ、ｎ
型電極Ｐ２を形成した。

【００７４】次に、図７に示すように、ｐ型コンタクト
層Ｓ３の上面Ｓ３１に、凹部Ｓ３２を形成するためＳｉ
Ｏ₂膜でマスクパターンを形成した。このマスクパター
ンは、上部電極を形成する面をくし型パターンに残すマ
スクパターンであって、くし形部分の寸法仕様は、電極
幅２μｍ、溝状の凹部幅４μｍとした。その後ドライエ
ッチングにより、上面Ｓ３１から凹部を掘り下げ、活性
層上面の近傍まで達する凹部を形成した。

【００７５】次に、残された上面Ｓ３１に、実施例１と
同様にして上部電極をくし型パターンとして形成した。
この試料をチップに分断し、上記（３）の発光素子とし
て、ＧａＮ系ＬＥＤを得た。このＬＥＤを、Ｔｏ−１８
ステム台にマウントし、出力を測定したところ、波長４
５０ｎｍ、２０ｍＡで、２．５ｍＷであり、凹部のない
従来のくし形パターンの電極のＬＥＤに比べ、光取り出
し効率が向上することがわかった。

【００７６】実施例６本実施例では、ｐ型コンタクト層上面に、凹部形成より
も先にくし形パターンの電極を形成しておき、凹部形成
に用いるマスクをＡｕ／Ｎｉ電極自体としたこと以外
は、実施例５と同様に発光素子を形成した。その結果、
実施例５と同一の構造が工程を簡略して作製できること
がわかった。

【００７７】

【発明の効果】上記説明のように、本発明による上部電
極構造の種々の改善によって、より発光特性の優れたＧ
ａＮ系発光素子、および、より受光特性の優れたＧａＮ
系受光素子が得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による発光素子ＧａＮ系発光素子の構造
の一例を示す図である。また、本発明の受光素子の構造
の一例としても参照することができる。

【図２】図１（ｂ）に示す上部電極のＡ−Ａ断面のう
ち、繰り返し部分を拡大して示す図である。

【図３】本発明による発光素子の、上部電極の繰り返し
部分の形成パターンを例示する図である。また、本発明
による受光素子の、上部電極の繰り返し部分の形成パタ
ーンの例としても参照することができる。

【図４】本発明による発光素子の、上部電極の繰り返し
部分の形成パターンの他の例を示す図である。また、本
発明による受光素子の、上部電極の繰り返し部分の形成
パターンの例としても参照することができる。

【図５】本発明による発光素子の、上部電極の形成パタ
ーンを例示する図である。また、本発明による受光素子
の、上部電極の形成パターンの例としても参照すること
ができる。

【図６】本発明による発光素子の、上部電極の他の態様
を例示する図である。

【図７】本発明による発光素子の、上部電極およびｐ型
コンタクト層の構造の一例を示す図である。

【図８】従来のＧａＮ系発光素子の積層構造、電極のパ
ターンを示す図である。

【符号の説明】

Ｓ１ｎ型コンタクト層（クラッド層）Ｓ２発光層（活性層）Ｓ３ｐ型コンタクト層（クラッド層）Ｌ１光Ｐ１上部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大内洋一郎兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者只友一行兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA02 CA04 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 CA66 CA83 CA93 CB02 CB13 DA19 5F049 MA02 MA04 MB07 NA01 PA04 SE02 SE05 SE09 WA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＮ系材料からなる発光層を有するＧ
ａＮ系半導体発光素子であって、発光層に対し光が外界
へ出ていく側を上部側として、発光層の上部側には、電
極を形成するためのＧａＮ系材料からなるコンタクト層
を介して上部電極が設けられ、該上部電極の形成パターンは、該電極がコンタクト層上
面を覆う被覆領域と、該電極がコンタクト層上面を覆わ
ず露出させる露出領域とが交互に並んだ繰り返し部分を
有する形成パターンであって、前記繰り返し部分において、繰り返しの方向に関する個
々の被覆領域の幅をＷとし個々の露出領域の幅をＧと
し、コンタクト層上面から発光層までの深さをｄ、コン
タクト層の屈折率をｎ１、外界の屈折率をｎ２とすると
き、Ｗ≦１０μｍ、Ｗ≦２Ｇ、Ｇ≦ｄ×ｔａｎθ１（ただし、θ１＝ｓｉｎ^-1（ｎ２／
ｎ１））、であることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項２】ＧａＮ系材料のｐｎ接合によって光電流
に係るキャリアを発生する光検出層を有するＧａＮ系半
導体受光素子であって、光検出層に対し受光対象光が入
射する側を上部側として、光検出層の上部側には、電極
を形成するためのＧａＮ系材料からなるコンタクト層を
介して上部電極が設けられ、該上部電極の形成パターンは、該電極がコンタクト層上
面を覆う被覆領域と、該電極がコンタクト層上面を覆わ
ず露出させる露出領域とが交互に並んだ繰り返し部分を
有する形成パターンであって、前記繰り返し部分において、繰り返しの方向に関する個
々の被覆領域の幅をＷとし個々の露出領域の幅をＧと
し、コンタクト層上面から発光層までの深さをｄ、コン
タクト層の屈折率をｎ１、外界の屈折率をｎ２とすると
き、Ｗ≦１０μｍ、Ｗ≦２Ｇ、Ｇ≦ｄ×ｔａｎθ１（ただし、θ１＝ｓｉｎ^-1（ｎ２／
ｎ１））、であることを特徴とするＧａＮ系半導体受光素子。
【請求項３】ＧａＮ系材料からなる発光層を有するＧ
ａＮ系半導体発光素子であって、発光層に対し光が外界
へ出ていく側を上部側として、発光層の上部側には、電
極を形成するためのＧａＮ系材料からなるコンタクト層
を介して上部電極が設けられ、該上部電極が、発光層からの光を透過し得るように薄膜
とされた透光性電極と、該透光性電極中を電極形成面の
方向に流れる電流よりも大きい電流が前記方向に流れる
よう形成された幹線用電極とが、交互に並んだ部分を有
することを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項４】透光性電極がオーミック電極であって、
幹線用電極がショットキー電極である請求項３記載のＧ
ａＮ系半導体発光素子。
【請求項５】コンタクト層の内部における、幹線用電
極の直下で該電極に接した部位に、または上記幹線用電
極の直下で該電極から離れた部位に、電流の妨害となり
得る電流阻止層が形成されている請求項３記載のＧａＮ
系半導体発光素子。
【請求項６】ＧａＮ系材料のｐｎ接合によって光電流
に係るキャリアを発生する光検出層を有するＧａＮ系半
導体受光素子であって、光検出層に対し受光対象光が入
射する側を上部側として、光検出層の上部側には、電極
を形成するためのＧａＮ系材料からなるコンタクト層を
介して上部電極が設けられ、該上部電極が、受光対象光を透過し得るように薄膜とさ
れた透光性電極と、該透光性電極中を電極形成面の方向
に流れる電流よりも大きい電流が前記方向に流れるよう
形成された幹線用電極とが、交互に並んだ部分を有する
ことを特徴とするＧａＮ系半導体受光素子。
【請求項７】ＧａＮ系材料からなる発光層を有するＧ
ａＮ系半導体発光素子であって、発光層に対し光が外界
へ出ていく側を上部側として、発光層の上部側には、電
極を形成するためのＧａＮ系材料からなるコンタクト層
を介して上部電極が設けられ、該上部電極の形成パターンは、該電極がコンタクト層上
面を覆う被覆領域と、該電極がコンタクト層上面を覆わ
ず露出させる露出領域とが交互に並んだ繰り返し部分を
有する形成パターンであって、コンタクト層上面のうち、露出領域には凹部が設けられ
ていることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。