JP2004071644A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板上に、n型半導体層、活性層及びp型半導体層が積層されてなる積層部を有し、その積層部で発光する窒化物半導体発光素子において、積層部の側面は、n型半導体層の表面を含む傾斜面であり、そのn型半導体層の表面にn電極が形成されている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子、特に窒化物半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光ダイオードが、紫外域、青色等の比較的短い波長域を中心に広く用いられるようになって来ている。この窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移であり発光効率が高いことからもその適用範囲が拡大している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒化ガリウム系化合物半導体は通常、絶縁基板であるサフアイア基板の上に成長されることに起因して、従来の窒化物半導体発光素子には以下のような課題があった。
第1に、サファイア基板が絶縁体であるために、n側の電極とp側の電極をいずれも、サファイア基板上の窒化ガリウム半導体の上に形成する必要があり、特にn側の電極部分は、非発光領域となり、発光領域から生じた光が、GaN層を横方向に伝播する際の多重反射により吸収され、取り出し効率を低下させるという問題点があった。
第2に、発光した光は基板面に対して通常は垂直方向に取り出すように構成されるが、発光ダイオードの側面から出射される光の割合が比較的高く、発光した光を効果的に利用することができないという問題があった。
【0004】
そこで、本発明は、n側電極下部での多重反射をなくし、n側の電極による吸収を低減し、取り出し効率の高い窒化物半導体発光素子を提供することを第1の目的とする。
また、本発明は発光した光を効果的に利用することができる窒化物半導体発光素子を提供することを第2の目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
以上の従来の問題点を解決するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板上に、n型半導体層、活性層及びp型半導体層が積層されてなる積層部を有し、その積層部で発光する窒化物半導体発光素子において、
上記積層部の側面は、上記n型半導体層の表面を含む傾斜面であり、そのn型半導体層の表面にn電極が形成されたことを特徴とする。
以上のように構成された窒化物半導体発光素子は、光の出射効率を高くできる。
【0006】
本発明に係る窒化物半導体発光素子では、上記n電極は上記積層部を囲むように形成されていることが好ましい。
【0007】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子では、上記n電極を上記基板の側面から上記基板の下面にも連続して形成することができる。このようにすると、p側オーミック電極を透光性電極としてその透光性電極を介して光を出射させる場合に、上記基板の側面及び上記基板の下面で反射した光も透光性電極を介して出力できるので、光の取り出し効率を高くできる。
【0008】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子では、上記発光領域となる積層部を複数形成することもでき、これにより、大面積でかつ発光効率の高い窒化物半導体発光素子を構成できる。
【0009】
上記積層部を複数形成した窒化物半導体発光素子では、上記各積層部に形成されたn電極を互いに接続して共通電極として形成することができる。
これにより、上記発光領域である積層部を容易に並列接続することが可能となる。
また、上記積層部を複数形成した窒化物半導体発光素子では、上記n電極を互いに接続して共通電極として形成するとともに、上記各積層部において形成された上記p型半導体層とオーミック接触するp側オーミック電極を互いに接続することもできる。
これにより、上記発光領域である積層部が素子上で並列接続された窒化物半導体発光素子を提供できる。
【0010】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子において、基板側から光を出力するように構成する場合には、光の出射効率を高くするために、上記積層部を覆うように反射層を形成することが好ましい。
【0011】
また、上記窒化物半導体発光素子において、上記金属層は、上記積層部のp型半導体層にそれぞれ形成されたpオーミック電極を接続する接続電極により構成することができる。
【0012】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、上記反射層は上記積層部を覆うように絶縁膜を介して金属層を形成することにより形成してもよいし、誘電体多層膜により構成するようにしても良い。
【0013】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、上記傾斜側面は、外側に膨らんだ凸曲面とすることもできる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の窒化物半導体発光素子について説明する。
実施の形態1.
本発明に係る実施の形態1の窒化物半導体発光素子は、図1及び図2に示すように、発光領域を構成する積層部10の側面を内側に傾斜した傾斜面10aとし、その傾斜面10aに露出したn型コンタクト層12とオーミック接触するようにn電極21を形成することにより構成されている。
【0015】
実施の形態1の窒化物半導体発光素子において、積層部10は、図2に示すように、サファイア基板1上に、バッファ層11、n型コンタクト層12、n型クラッド層13、発光層14、p型クラッド層15及びp型コンタクト層16を順次成長させて積層構造を形成し、図1に示す平面形状(略矩形形状において、1つの隅部が円弧状に切り欠かれた形状)になるようにエッチングすることにより形成される。
【0016】
積層部10を構成する各層は例えば次のようなもので形成する。
バッファ層11:400℃〜600℃の低温で成長されたGaN又はAlGaN層、
n型コンタクト層12:SiドープのGaN(例えば、厚さ6μm)、
n型クラッド層13:n型AlGaN、
発光層14:ノンドープのInGaN井戸層を含む(例えば、厚さ約30Å)単一又は多重量子井戸構造、
p型クラッド層15:p型AlGaN、
p型コンタクト層16:MgがドープされたGaN(例えば、厚さ約1200Å)。
【0017】
また、本実施の形態1において、積層部10を形成するためのエッチングは、サファイヤの表面が露出するまで行い、積層部10が円弧状に切り欠かれた1つの隅部にn電極21を形成するためにサファィヤ基板表面を露出させる。尚、本実施の形態1では、n電極21を形成するために露出されたサファイア基板の表面と連続して積層部10の周りを取り囲むようにサファィヤ基板の表面が露出される。
【0018】
本実施の形態1において、n電極21は、図1及び図2に示すように、積層部10の1つの隅部に露出させたサファィヤ基板1の表面から積層部10の傾斜面10aに亙って連続して形成し、傾斜面10aに露出したn型コンタクト層12とオーミック接触する。
また、p側の電極は全面電極31とpパッド電極32とからなり、全面電極31は積層部10の最上層に位置するp型コンタクト層16の表面のほぼ全面に形成され、pパッド電極32は全面電極31上のn側電極21と対角をなす位置(他方の隅部)に形成される。
【0019】
以上のように構成された実施の形態1の窒化物半導体発光素子は、n電極21による光の吸収を極めて少なくできるので、効率良く光を出力できる。
すなわち、図21に示す従来の構造では、基板1とn電極521の間に存在するn型コンタクト層512に発光領域で発光した光が漏れ出して導波し、基板1の上面とn電極121の裏面により繰り返して反射される間に(図21において、Y100の符号を付して模式的に示す)、大部分の光がn電極121によって吸収されて結局外部に取り出すことができないという問題があった。しかしながら、本発明では、傾斜側面10aに露出されたn型コンタクト層12の表面でn電極をオーミック接触させることにより、n型コンタクト層12において光が導波する部分を無くし(図2において、Y1の符号を付して模式的に示す)、従来の問題点を解決している。
また、発光した光を基板側から出射させる場合に、積層部10の傾斜側面10aで反射した光も基板を介して出力することができ、出射効率を向上させることができる。
【0020】
また、発光した光を基板側から出射させる場合に、傾斜側面10aで効果的に反射させるためには、傾斜側面10aには通常SiO2保護膜が形成されていることを考慮すると、傾斜側面10aの傾斜角αを60度以下に設定することが好ましく、45度以下に設定することがより好ましい。
この傾斜角αは本明細書では、図22に示すように定義し、その好ましい範囲は、臨界角θcがsinθc=nS/nG(nG:活性層の屈折率、nS:SiO2保護膜の屈折率)で与えられることから、求めることができる。
例えば、波長380nmの光を発光する素子の場合、波長380nmの光に対するAlxGa1−xNの屈折率は、xの値が1〜0の範囲であるとすると2.15〜2.80である。この時、臨界角θcが最も小さくなるのは、屈折率が2.80の場合であり、この時の臨界角θcは約30°である。
従って、臨界角θcを30°以上、すなわち、傾斜角αを60°以下に設定すると、少なくとも半導体層に平行に伝播される最も強い光は全反射されることになる。
以上のように傾斜角αを60°以下に設定すると半導体層と平行に伝播される最も強い光は全反射されて取り出し効率を向上させることができる。しかしながら、層内を伝播される光には半導体層に平行でない光もあり、それらも効果的に全反射させるためには、傾斜角αを45度以下に設定することがさらに好ましい。
また、傾斜側面10aにn電極を形成することを考慮した場合における、傾斜側面10aの傾斜長Lの上から見た投影長Wは、10μm以上であることが好ましい。
【0021】
以上の説明では、1つの隅部において、n電極21とn型コンタクト層12とがオーミック接触するように形成した例について説明したが、本実施の形態1では、図3及び図4に示すように、n電極22は積層部10を囲むように形成することが好ましい。このようにすると、発光領域全体に均一に電流を注入することができ、効率良く発光させることができる。
【0022】
実施の形態2.
本発明に係る実施の形態2の窒化物半導体発光素子は、図5に示すように、発光領域を構成する積層部110の形状を円形にしたものである。本実施の形態2の窒化物半導体発光素子において、n電極23が積層部110の内側に傾斜した側面である傾斜面110aに露出したn型コンタクト層12とオーミック接触するように形成されている点は、実施の形態1と同様である。
【0023】
また、実施の形態2の窒化物半導体発光素子において、積層部110の積層構造(半導体層の構成)は実施の形態1の発光素子と同様であり、積層部110を形成するためのエッチングは、サファイヤの表面が露出するまで行う。
実施の形態2において、p側の電極は全面電極33とpパッド電極34とからなり、全面電極33は積層部110の最上層に位置するp型コンタクト層16の円形表面のほぼ全面に形成され、pパッド電極34は全面電極33中央部に形成される。
ここで、全面電極33、pパッド電極34及び円形の積層部110は中心が一致するように同心円状に形成される。
【0024】
以上のように構成された実施の形態2の窒化物半導体発光素子は、実施の形態1の発光素子と同様の作用効果を有する。
すなわち、n電極23による光の吸収を極めて少なくでき、効率良く光を出力できるとともに、積層部110の傾斜側面110aで反射した光も基板を介して出力することができ、出射効率を向上させることができる。
さらに、本実施の形態2では、図5から明らかなように、n電極23は積層部110を囲むように形成しているので、発光領域全体に均一に電流を注入することができ、効率良く発光させることができる。
【0025】
実施の形態3.
本発明に係る実施の形態3の窒化物半導体発光素子は、図6、図7に示すように、発光領域を構成する積層部110の形状を円形にしたものであるが、本実施の形態2の窒化物半導体発光素子とは、以下の点が異なる。
すなわち、実施の形態3の窒化物半導体発光素子では、p型コンタクト層の表面に透光性を有する透光性オーミック電極33aを形成し、その上にpパッド電極34を形成している。
また、実施の形態3の窒化物半導体発光素子では、図7に示すように、傾斜側面110aでn型コンタクト層とオーミック接触するn電極24を基板1の側面及び裏面に連続して形成している。
この実施の形態3において、透光性オーミック電極33aとn電極24以外は、実施の形態2と同様に構成される。
【0026】
以上のように構成された実施の形態3の窒化物半導体発光素子は、積層部110で発光した光を透光性オーミック電極33aを介して出力することができ、以下のような効果を有する。
すなわち、n電極24による光の吸収を極めて少なくでき、効率良く光を出力でき、基板の側面及び裏面に形成されたn電極24により光を反射して透光性オーミック電極33aを介して出力できるので、出射効率を向上させることができる。
また、本実施の形態3では、図6から明らかなように、n電極24を積層部110を囲むように形成しているので、発光領域全体に均一に電流を注入することができ、効率良く発光させることができる。
【0027】
以上の実施の形態3の窒化物半導体発光素子では、n電極24により基板全体が覆われるように構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、図8に示すように、n電極25と基板1を覆う電極26とを別の金属で構成してもよい。
以上のように構成しても実施の形態3と同様の作用効果が得られ、さらに以下のような効果がある。
すなわち、n電極25はn型コンタクト層と良好なオーミック接触が得られる金属から選択して構成し、基板1を覆う電極26には、その機能に応じて適切な金属材料を選択して構成することができる。
具体的には、基板1の裏面をはんだ付けにより実装する場合には、電極26の材料としてはんだ耐熱性の優れた材料を選択したり、光の反射を重視する場合には反射率の高い金属を選択して用いることができる。
【0028】
実施の形態4.
本発明に係る実施の形態4の窒化物半導体発光素子は、図9に示すように、発光領域を構成する積層部111の形状を矩形にしたものである。
すなわち、実施の形態3の窒化物半導体発光素子では、p型コンタクト層の表面に全面電極35を形成し、その上にpパッド電極36を形成している。
また、図9に示すように、矩形の積層部111の傾斜側面111aでn型コンタクト層とオーミック接触するn電極27を基板の表面とn型コンタクト層(傾斜側面111aに露出したもの)とに亙って形成している。
尚、実施の形態4において、積層部の積層構造は実施の形態1〜3と同様に構成される。
【0029】
以上のように構成された実施の形態4の窒化物半導体発光素子は、実施の形態1〜3と同様の作用効果を有する。
また、図9の窒化物半導体発光素子では、n電極27は積層部111の一辺でnコンタクト層に接触するように形成したが、本実施の形態4では、図10に示すように、積層部111の外周全体でnコンタクト層とオーミック接触するようにn電極28を形成することもでき、これにより、発光領域全体に均一に電流を注入することができ、効率良く発光させることができる。
【0030】
実施の形態5.
実施の形態5の窒化物半導体発光素子は、図11,図12に示すように、複数(図11,12では18個)の積層部210を備えた発光面積の大きい発光素子であって、素子全体の面積に占める発光領域の面積を大きくでき、発光領域全体を均一に発光させることができるという特徴を有する。
図11は主としてn電極221の形態を示すために、p側ボンディング電極251及びp側接続電極261を省いて示す平面図であり、図12はp側ボンディング電極251及びp側接続電極261を省略せずに示す平面図である。また、図13は、図12のD−D’線についての断面図である。
【0031】
このように、発光領域を複数の部分に分割して形成するのは、大面積の発光領域を分割することなく1つの大きな領域として形成した場合に生じる、電極から離れた部分で電流が低下して発光効率が悪くなるという問題を解決するためである。しかしながら、発光領域を複数の部分に分割して形成した場合には、各発光領域間を接続する電極面積が大きくなり、いかにして発光領域の面積を確保するかが課題となる。また、図21に示す構造の従来の素子を複数個並べた場合には、n型コンタクト層を光が導波して反射を繰り返すうちにn電極により吸収される光により発光効率が低下する。しかしながら、本実施の形態5の窒化物半導体発光素子では、第1に各積層部の傾斜した側面にn型コンタクト層とオーミック接触するn電極を形成することにより、n電極が必要とする面積を小さくして発光領域の面積を確保し、かつn電極による光の吸収を防止している。
【0032】
また、本実施の形態5の窒化物半導体発光素子では、p側の全面電極による吸収も従来例に比較して抑えることができる。
すなわち、大面積の発光領域を分割することなく1つの大きな領域として形成した従来例では、図23(b)に示すように、臨界角以上でp側の全面電極に入射された光は、p側の全面電極731と、基板1と半導体層との間の境界の間で反射を繰り返すうちに、かなりの部分がp側の全面電極により吸収される。
また、発光領域を複数の部分に分割して形成した場合であっても、分割された発光領域が傾斜した側面を有していない場合には、図23(c)に示すように、臨界角以上でp側の全面電極731に入射された光が基板に略垂直な側面から出射されて隣接する発光領域に再入射される確率が高くなる。そのためにp側の全面電極により吸収される率が高くなる。
これに対して、本実施の形態5の窒化物半導体発光素子は、各発光領域が傾斜側面を有しているので、基板側から発光させる場合には、図23(a)においてA2の符号を付して示す光のように、また、電極側から発光させる場合には、図23(a)においてA3の符号を付して示す光のように、隣接する発光領域に再入射されることなく(隣接する発光領域に再入射される確率を低くできる)、外部に出射される。これにより、p側の全面電極31で吸収される率を低くできる。
【0033】
また、実施の形態5の窒化物半導体発光素子では、発光領域を構成する積層部210の形状を六角形とし、その複数の積層部210は積層部間の面積が最も小さくなるように配列される(図11,12)。本実施の形態5において、隣接する積層部210間は基板の表面までエッチングされており(図13)、複数の積層部210はそれぞれ完全に分離されている。尚、隣接する積層部210間の間隔は、例えば、10μmに設定される。
また、実施の形態5において、各積層部210の側面は、実施の形態1等と同様に全て傾斜面210aであり、その傾斜面210aに露出されたn型コンタクト層にオーミック接触するようにn電極221が形成される。
実施の形態5において、n電極221は図11に示すように全ての積層部210を取り囲むように一体として形成される。
【0034】
実施の形態5において、各積層部210のp型コンタクト層のほぼ全面に全面電極231が形成され、その中央部にpパッド電極232が形成される。そして、pパッド電極232上に開口部を有する絶縁膜271が素子全体を覆うように形成され、その絶縁膜271上にpパッド電極232を互いに接続する接続電極261(一端がp側ボンディング部に接続)が形成される。尚、絶縁膜271はn電極221のうちボンディング部241を開口させる開口部も有している。
【0035】
以上のように構成された実施の形態5の窒化物半導体発光素子は、発光領域である積層部210の形状を六角形とし、その積層部210間の面積が最も小さくなるように配列し、かつ各積層部210の傾斜した傾斜側面にn電極を形成することにより、発光領域の面積が大きくなるように構成している。
これにより、発光領域を効果的に発光させることができる適切な大きさの複数の部分に分割し、かつn電極を形成するために必要となる面積を抑制することが可能となる。従って、発光領域の面積を低下させることなく、かつ各発光領域を効率よく発光させることができ、高い輝度を有する大面積の発光素子を構成できる。
【0036】
実施の形態5の窒化物半導体発光素子は、基板側から光を出射するようにしても良いし、全面電極231を透明電極とすることにより半導体側から光を出射するようにしても良い。いずれの場合についても、発光層で発光した光は基板側とp型半導体側の両方に伝播されるので、出射側とは反対側に反射膜を形成することが好ましく、これにより出射効率を向上させることができる。
【0037】
図14は、本実施の形態5の窒化物半導体発光素子において、接続電極261間を更に接続する第2接続電極262を形成したものである。この第2接続電極262はp側ボンディング部251から離れた位置にある積層部210における電流注入量が低下するのを防止するために形成するものであり、各積層部の発光強度を均一化するものである。
しかしながら、半導体層側から光を出射させる場合には、この第2接続電極262が光を遮ることになるので、本構成は基板側から光を出射する場合に特に適している。
【0038】
図15は、半導体層側から光を出射させる場合に適した接続電極の例を示すものである。本例では、p側ボンディング部251に接続された第1接続電極263を積層部210の間のn電極上に絶縁膜を介してn電極と導通しないようにして形成する。この第1接続電極263は積層部上には形成されないので、積層部で発光した光を遮ることはない。そして、各積層部210のpパッド電極と第1接続電極263の間は第2接続電極264により接続される。ここで、1つのpパッド電極232と第1接続電極263の間は、1つの第2接続電極264で接続されている。
【0039】
図16は、基板側から光を出射する場合の電極構造のより好ましい例を示したものである。
すなわち、図16の窒化物半導体発光素子では、実施の形態5(図12)の接続電極261(p側ボンディング部を含む)に替えて、絶縁膜271の上から複数の積層部を全て覆う電極層265を形成している。
このようにすると、各積層部の上面、特に傾斜側面からの光の漏れを防止でき(各積層部の上面及び傾斜側面で反射させることができ)、基板側から効率良く光を出射できる。
【0040】
以上の実施の形態5の窒化物半導体発光素子では、各積層部210を六角形に形成した例により示したが、四角形又は円形等の他の形状であってもよい。
図24は、積層部410を四角形にした具体例を示す平面図である。本例では、p側ボンディング部451を2つの隅部に形成された積層部410上にそれぞれ設け、そのp側ボンディング部451に接続された接続電極461により、積層部410のpパッド電極間が接続される。尚、接続電極461は、積層部410の間のn電極上に絶縁膜を介してn電極と導通しないようにして形成される。
また、n電極421は、全ての積層部410を取り囲むように一体として形成し、各積層部410の傾斜面410aに露出されたn型コンタクト層とオーミック接触するように形成され、その一部にnパッド電極441が形成される。
【0041】
実施の形態6.
図17は実施の形態6の窒化物半導体発光素子の全体構成を示す平面図であり、図18は1つの積層部310を拡大して示す平面図である。また、図19(a)は図18のE−E’線についての断面図であり、図19(b)は図18のF−F’線についての断面図である。
実施の形態6の窒化物半導体発光素子において、積層部310はそれぞれ円形形状に形成され、その中心が縦横とも1つの直線上に位置するように基板上に配列される。また、各積層部310の積層構造は他の実施の形態と同様であり、その外周側面は内側に傾いた傾斜面(外周傾斜面310a)とされ、その断面形状は、図19(a)(b)に示すように、上面を上底とする台形である。
【0042】
各積層部310において、nオーミック電極321aは外周傾斜面310aに露出されたn側コンタクト層とオーミック接触するように外周傾斜面310aの全周に形成される。また、積層部310の間の基板上にはそれぞれn接続パッド321bが形成され、各積層部310に形成されたnオーミック電極321aは隣接する4つのn接続パッド321bと接続される。
すなわち、実施の形態6の窒化物半導体発光素子において、n電極321はnオーミック電極321aとn接続パッド321bとからなる。
また、各積層部310の上面(pコンタクト層の上面)のほぼ全面に、全面電極331が形成され、その全面電極331の中央部に円形のpパッド電極332が形成される。
【0043】
以上のように、nオーミック電極321a、n接続パッド電極321b、全面電極331及びpパッド電極332を形成した後、接続パッド電極321bとその周辺及びpパッド電極332の上面を除いて素子全体を覆う絶縁膜371を形成して、各積層部310のpパッド電極332を互いに接続するp側接続電極361を形成する。尚、p側接続電極361は、pパッド電極332上に接続されたパッド接続部361bとそのパッド接続部361b間を接続する接続部361とからなる。
【0044】
以上のように構成された実施の形態6の窒化物半導体発光素子は、実施の形態1と同様、電極による吸収を防止でき、発光した光の取り出し効率を高くできる。
実施の形態6の窒化物半導体発光素子における光の取り出し効率を確認するために以下の比較検討を行った。
【0045】
まず、本実施の形態6の窒化物半導体発光素子として、図25の平面図に示す積層部310を9個(3×3個)形成した素子を作製し、積層部310が1つの場合の発光素子(図28の平面図に示す)と取り出し効率の比較を行った。
取り出し効率の測定は、図30に示すように、マイナス側端子と一体で構成されたカップ内に発光素子をダイボンディングし、nパッド電極とマイナス側端子T2とをボンディングワイヤーW21で接続し、pパッド電極とプラス側端子T1とをボンディングワイヤーW32で接続して、発光光量に対する外部に取り出される光量を測定した。
【0046】
その結果、9個の積層部310を形成した実施の形態6の素子(図25)の取り出し効率は、積層部310が1つの場合の発光素子(図28)の取り出し効率を100とした場合、86%であった。
これに対して、比較例として作製した図26に示す発光素子(9個の積層部を形成した素子)の取り出し効率は、図29(a)に示す1つの積層部を備えた発光素子の取り出し効率を100とした場合、71%であった。
尚、積層部310が1つの場合の発光素子(図28)の取り出し効率と、図29(a)に示す1つの積層部を備えた発光素子の取り出し効率とはほぼ等しいものであった。
【0047】
ここで、比較例の発光素子において、各積層部は実施の形態6と同様の積層構造を有し、その平面形状は略矩形に形成されている。また、n電極521は、各積層部の1つの隅部において、n型コンタクト層の表面を露出させ、その露出させた表面に形成されている。さらに、pオーミック電極531はp型コンタクト層のほぼ全面に形成され、pオーミック電極531上のn電極521と対角をなす位置にpパッド電極532が形成されている。尚、図26に示す素子では、隣接する積層部の間はサファイア基板が露出されるまでエッチングされて、隣接する積層部の間は完全に分離されている。また、各積層部の側面は、サファイア基板の上面に対してほぼ垂直に形成されている。
【0048】
以上のように、複数の積層部を備えた実施の形態6の窒化物半導体発光素子は、同じく集合状態の比較例の窒化物半導体発光素子に比較して、取り出し効率を高くできることが確認された。
【0049】
また、図27は異なる比較例として作製した素子であって、図26に示す比較例の発光素子において、隣接する積層部間においてサファイア基板が露出するまでエッチングせずに、n型コンタクト層を残すようにしたものである。この図27の比較例の素子の取り出し効率は、図29(b)に示す1つの積層部を備えた発光素子の取り出し効率を100とした場合、68%であった。
尚、図29(a)の素子の取り出し効率と、図29(b)の素子の取り出し効率とはほぼ等しいものであった。
以上のように、複数の積層部を備えた比較例の発光素子は、いずれも実施の形態6の発光素子より取り出し効率が悪いものであった。
【0050】
また、実施の形態6の窒化物半導体発光素子は、実施の形態5の発光素子と同様の作用効果を有し、さらに以下のような特徴を有する。
すなわち、ウエハ上に各積層部を形成した後に、要求に応じて必要な個数の積層部310を含む任意の大きさの素子に分割することができるので、同一のパターンにより任意の大きさの素子を作製することが可能となる。
尚、この場合、いずれかの位置にあるn接続パッド電極321bとパッド接続部361bとをボンディング電極として用いることができる。
【0051】
以上の各実施の形態の窒化物半導体発光素子は、上述したように、基板側から光を出力するようにも構成できるし、また、半導体側から光を出力するようにも構成できる。いずれの場合についても、光を出射する方向の反対側の面には、反射層を形成することが好ましい。図7、図8及び図16に示す構造の場合にはそれぞれ、n電極24、電極26又は電極265を反射層として機能させることができることは上述した通りであるが、他の構成の場合には、反射層を別途設けることが好ましい。この反射層は、反射率の高い金属を用いて構成することもできるし、誘電体多層膜を用いて構成することもできる。誘電体多層膜を用いる場合には、例えば、図13の絶縁層271を誘電体多層膜により構成することにより、絶縁機能に加え、反射機能を持たせるようにしても良い。
【0052】
実施の形態7.
図31は実施の形態7の窒化物半導体発光素子の全体構成を示す平面図である。実施の形態7の窒化物半導体発光素子において、積層部310はそれぞれ円形形状に形成され、その中心が単位格子が六角形の格子点に位置するように基板上に配置される。また、各積層部610の積層構造は他の実施の形態と同様であり、その外周側面は内側に傾いた傾斜面とされている。
【0053】
各積層部610において、nオーミック電極621aは外周傾斜面に露出されたn側コンタクト層とオーミック接触するように外周傾斜面の全周に形成される。また、6つの積層部610に囲まれた各六角形格子の中心には、それぞれn接続パッド621bが形成され、各積層部610に形成されたnオーミック電極621aは隣接する3つのn接続パッド621bと接続される。
すなわち、実施の形態7の窒化物半導体発光素子において、n電極はnオーミック電極621aとn接続パッド621bとからなる。
また、各積層部610の上面(pコンタクト層の上面)のほぼ全面に、全面電極が形成され、その全面電極の中央部に円形のpパッド電極632が形成され、各積層部610のpパッド電極632はp側接続電極361により互いに接続される。
【0054】
尚、nオーミック電極621a、n接続パッド電極621b等のn側の電極と、全面電極631、pパッド電極632、p側接続電極361等のp側の電極とは実施の形態6と同様にして絶縁される。
以上のように構成された実施の形態7の窒化物半導体発光素子では、1つのn接続パッド電極621bに対して2つの積層部が設けらており、1つのn接続パッド電極に対して1つの積層部が設けられた実施の形態6に比較して、発光素子全体としての発光領域の面積を大きくできる。
また、この実施の形態7のように積層部を配置した場合、外形形状が、三角形、六角形、ひし形、平行四辺形等になるように分割することができ、そのように分割する際、GaN結晶の結晶軸の方向とスクライブラインの方向を一致させることができるので、分割時の歩留まりを向上させることができる。
【0055】
次に、上記各実施の形態の窒化物半導体発光素子において、傾斜側面を有する積層部の形成方法の一例を示す。
本方法では、まず、サファイア基板1の上に、バッファ層11、n型コンタクト層12、n型クラッド層13、発光層14、p型クラッド層15及びp型コンタクト層16を順次成長させて積層構造を形成し、その上に、図20(a)に示すように、断面が台形形状のマスクM1を形成する。
次に、反応性イオンエッチングにより、マスクM1の上から積層体をエッチングする。この時、積層体をエッチングすると同時にマスクそのものもエッチングにより少しづつ除去する。図20(b)において、破線と実線の間のR1の符号を付した部分が除去された部分である。
このエッチングを積層部10の周りの基板表面が露出されるまで続ける(図20(c))。
このようにすると、マスクM1の形状に対応した形状の、傾斜側面10aを有する積層部10が形成される。
本方法では、マスク材料と窒化物半導体材料のRIEによるエッチング率を考慮して、マスクM1形状を設定することにより、所望の傾斜側面を有する積層部が形成できる。
【0056】
例えば、マスクM1の側面を外側に膨らんだ形状とすることにより、積層部の傾斜側面を外側に膨らんだ凸曲面とすることができる。
このように、傾斜側面を外側に膨らんだ凸曲面とすることにより、基板側から光を出力する場合に集光して光を出射できる。
【0057】
以上の各実施の形態では、最も好ましい例として、積層部の周りを基板までエッチングした例を用いて説明したが、本発明においては積層部の周りに光が伝送されないようにすることが重要であり、光の伝送を抑制できる程度の厚さにn型半導体層が残っていても良い。
【0058】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、傾斜した側面を持った積層部を有し、その積層部の側面のn型半導体層の表面にn電極を形成することによりn電極による光の吸収を抑制でき、光の出射効率を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施の形態1の発光素子の平面図である。
【図2】図1のA−A’線についての断面図である。
【図3】本発明に係る実施の形態1の変形例の発光素子の平面図である。
【図4】図3のB−B’線についての断面図である。
【図5】本発明に係る実施の形態2の発光素子の平面図である。
【図6】本発明に係る実施の形態3の発光素子の平面図である。
【図7】図6のC−C’線についての断面図である。
【図8】実施の形態3の変形例に係る発光素子の断面図である。
【図9】本発明に係る実施の形態4の発光素子の平面図である。
【図10】実施の形態4の変形例に係る発光素子の平面図である。
【図11】本発明に係る実施の形態5の発光素子において、p側の電極を省いて示す平面図である。
【図12】本発明に係る実施の形態5の発光素子の平面図(p側の電極を含む)である。
【図13】図12のD−D’線についての断面図である。
【図14】実施の形態5の第1変形例に係る発光素子の平面図である。
【図15】実施の形態5の第2変形例に係る発光素子の平面図である。
【図16】実施の形態5の第3変形例に係る発光素子の平面図である。
【図17】本発明に係る実施の形態6の発光素子の平面図である。
【図18】図17の一部を拡大して示す平面図である。
【図19】(a)は図18のE−E’線についての断面図であり、(b)は図18のF−F’線についての断面図である。
【図20】本発明の窒化物半導体発光素子において、傾斜側面を有する積層部の形成方法の一例を示す工程図である。
【図21】従来例の発光素子の断面図である。
【図22】本発明の窒化物半導体発光素子において、傾斜側面の好ましい傾斜角について説明するための模式図である。
【図23】本発明の窒化物半導体発光素子において、p電極による光の吸収が抑制できることを説明するための図である。
【図24】実施の形態5の第4変形例に係る発光素子の平面図である。
【図25】本発明に係る実施の形態6において、取り出し効率の測定に用いた発光素子の平面図である。
【図26】本発明に係る実施の形態6の比較例(その1)として、取り出し効率の測定に用いた発光素子の平面図である。
【図27】本発明に係る実施の形態6の比較例(その2)として、取り出し効率の測定に用いた発光素子の平面図である。
【図28】本発明に係る実施の形態6の取り出し効率の測定において、基準として用いた発光素子の平面図である。
【図29】本発明に係る実施の形態6において、比較例の基準として用いた発光素子の平面図である。
【図30】本発明に係る実施の形態6の取り出し効率の測定方法の概要を示す模式図である。
【図31】本発明に係る実施の形態7の発光素子の平面図である。
【図32】実施の形態7の発光素子の一部を拡大して示す平面図である。
【符号の説明】
1…サファイア基板、
10,110,111,210,310…積層部、
10a,110a,111a,210a,310a…傾斜面(傾斜側面)、
11…バッファ層、
12…n型コンタクト層、
13…n型クラッド層、
14…発光層、
15…p型クラッド層、
16…p型コンタクト層、
21,22,23,24,25,27,28,221,321…n電極、
31,33,35…全面電極、
32,34,36…pパッド電極、
33a…透光性オーミック電極。
Claims (13)
- 基板上に、n型半導体層、活性層及びp型半導体層が積層されてなる積層部を有し、その積層部で発光する窒化物半導体発光素子において、
上記積層部の側面は、上記n型半導体層の表面を含む傾斜面であり、そのn型半導体層の表面にn電極が形成されたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 上記n電極は上記積層部を囲むように形成された請求項1記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記n電極を上記基板の側面から上記基板の下面にも連続して形成した請求項1又は2記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記積層部を円形とした請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記積層部を六角形とした請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記発光領域となる積層部を複数形成した請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記各積層部に形成されたn電極は、互いに接続された共通電極として形成された請求項6記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記各積層部において形成された上記p型半導体層とオーミック接触するp側オーミック電極が互いに接続された請求項7記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記積層部を覆うように反射層を形成した請求項1,2,4〜8のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記反射層は上記積層部を覆うように絶縁膜を介して金属層を形成することにより形成された請求項9記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記金属層は、上記積層部のp型半導体層にそれぞれ形成されたpオーミック電極を接続する接続電極である請求項10記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記反射層は誘電体多層膜からなる請求項9記載の窒化物半導体発光素子。
- 上記傾斜側面は、外側に膨らんだ凸曲面である請求項1〜12のうちのいずれか1つに記載の窒化物半導体発光素子。
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