JP2005302747A - 半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】マイグレーションし易い金属を用いた半導体発光素子において、マイグレーションを抑制し、信頼性の向上を図ることができる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】発光積層構造が、ｎ型の窒化物半導体からなる第１の層、及び第１の層の上に配置されたｐ型の窒化物半導体からなる第２の層を含み、第１の層と第２の層との間に発光領域を画定する。第１の層の表面の一部の第１の領域において、第２の層が除去されて第１の層が現われている。第２の層の表面上に、第２の層に電気的に接続されたｐ側電極が配置されている。絶縁膜がｐ側電極を覆う。第１の領域に、第１の層に電気的に接続されたｎ側電極が配置されている。反射膜が、絶縁膜の上からｎ側電極まで至り、ｎ側電極に電気的に接続されている。反射膜は、銀を含む合金または銀で形成されている。
【選択図】図１（Ａ）

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に窒化物半導体を用い、特に基板の同一面側に正電極及び負電極が配置される半導体発光素子に関する。
に関する。
図１５（Ａ）に、下記特許文献１に開示された半導体発光素子の断面図を示す。サファイア基板２００の上に、バッファ層２０１を介してｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２０２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２０３、ＩｎＧａＮからなる発光層２０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２０５、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０６がこの順番に積層されている。一部の領域において、ｐ型コンタクト層２０６からｎ型コンタクト層２０２の表層部までエッチングされ、ｎ型コンタクト層２０２の一部が表出している。
ｐ型コンタクト層２０６の上に、ｐ側オーミック電極２０７が形成され、ｎ型コンタクト層２０２の表出した領域上に、ｎ側オーミック電極２０８が形成されている。これらの積層構造を、透光性の絶縁膜２１０が覆う。絶縁膜２１０に、ｎ側オーミック電極２０８の表面を露出させる開口２１０ａ及びｐ側オーミック電極２０７の表面の一部を露出させる開口２１０ｂが形成されている。
絶縁膜２１０を介してｐ型オーミック電極２０７を覆うように、反射膜２１１が形成されている。反射膜２１１の表面の一部の領域上にｐ側パッド２１３が形成され、ｎ側オーミック電極２０８の上に、ｎ側パッド２１２が形成されている。
反射膜２１１は、Ａｌ、ＡｇまたはＲｈで形成され、発光層２０４で発生した光を、基板２００側に向けて反射する。基板２００を通して光が取り出される。光の取り出し効率を高めるために、反射膜２１１の反射率を高めることが望ましい。紫外光から可視光の波長域においてＡｇが非常に高い反射率を示す。ところが、Ａｇは、電気化学的マイグレーションを生じやすい金属である。竹本正、佐藤良平著「高信頼度マイクロソルダリング技術」（工業調査会）によると、Ａｇのマイグレーション発生機構は下記のように説明されている。
水分の存在下で電界を印加すると、陽極でＡｇが溶解し、陰極で水素（Ｈ２）が発生する。陽極近傍でＡｇ＋イオンとＯＨ−イオンとが反応して、水酸化銀ＡｇＯＨが生成される。化学的に不安定な水酸化銀ＡｇＯＨが分解してコロイド状の酸化銀Ａｇ２Ｏが生成される。酸化銀がさらに反応してＡｇ＋イオンが生成される。上記反応を繰り返しながら、Ａｇ２ＯとＡｇ＋イオンとが陰極へ移動し、Ａｇを析出し、陽極に銀が樹脂状に成長する。
銀のマイグレーションが生ずると、樹脂状成長した銀により、陽極と陰極とが短絡され、リーク電流が増大してしまう。下記特許文献２及び３に、銀のマイグレーションを抑制する発明が開示されている。
図１５（Ｂ）に、特許文献２に開示された半導体発光素子の断面図を示す。サファイア基板２２０の上に、ＡｌＮバッファ層２２１、ｎ型ＧａＮ層２２２、ＩｎＧａＮ発光層２２３、ｐ型ＧａＮ層２２４がこの順番に積層されている。ｐ型ＧａＮ層２２４及び発光層２２３が部分的にエッチングされ、ｎ型ＧａＮ層２２２の一部が露出している。ｐ型ＧａＮ層の表面に、Ａｇ層２２５が形成され、このＡｇ層２２５が酸化シリコン膜２２７で覆われている。
酸化シリコン膜２２７に、Ａｇ層２２５の上面の一部を露出させるビアホールが形成されている。酸化シリコン膜２２７の上に、Ａｕ層２２８が形成されている。Ａｕ層２２８は、酸化シリコン膜２２７に形成されたビアホール内を経由してＡｇ層２２５に接続されている。
ｎ型ＧａＮ層２２２の露出した表面上に、Ｖ層とＡｌ層との積層構造を有するｎ側オーミック電極２２６が形成されている。Ａｇ層２２５が酸化シリコン膜２２７で覆われているため、Ａｇのマイグレーションを抑制することができる。
図１５（Ｃ）に、特許文献３に記載された半導体発光素子の断面図を示す。サファイア基板２３０の上に、ＡｌＮバッファ層２３１、ｎ型ＧａＮ層２３２、ｎ型ＧａＮクラッド層２３３、発光層２３４、ｐ型ＧａＮクラッド層２３５、ｐ型ＧａＮコンタクト層２３６がこの順番に積層されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層２３６からｎ型ＧａＮクラッド層２３３までの積層が部分的にエッチングされ、ｎ型ＧａＮ層２３２の一部が露出している。
ｐ型ＧａＮコンタクト層２３６の表面の一部にＡｇ層２３７が形成されている。Ａｇ層２３７は、バナジウム（Ｖ）層２３８及びＡｌ層２３９で覆われている。Ａｇ層２３７が、Ｖ層２３８及びＡｌ層２３９で覆われているため、Ａｇのマイグレーションを抑制することができる。
特開２００３−２２４２９７号公報 特開２００３−１６８８２３号公報 特開平１１−２２０１７１号公報
上述の特許文献２及び３に開示されたように、反射膜及び電極として用いられているＡｇ層を、絶縁膜や、他の金属膜で覆うことにより、Ａｇのマイグレーションが抑制される。しかし、マイグレーション抑制効果は十分ではない。Ａｇのマイグレーションをより効果的に抑制することができる半導体発光素子が望まれる。
本発明の目的は、マイグレーションし易い金属を用いた半導体発光素子において、マイグレーションを抑制し、信頼性の向上を図ることができる半導体発光素子を提供することである。
本発明の一観点によると、ｎ型の窒化物半導体からなる第１の層、及び該第１の層の上に配置されたｐ型の窒化物半導体からなる第２の層を含み、該第１の層と第２の層との間に発光領域を画定し、該第１の層の表面の一部の第１の領域において、該第２の層が除去されて該第１の層が現われている発光積層構造と、前記第２の層の表面上に配置され、該第２の層に電気的に接続されたｐ側電極と、前記ｐ側電極を覆う絶縁膜と、前記第１の領域において、前記第１の層に電気的に接続されたｎ側電極と、前記絶縁膜の上に配置され、前記ｎ側電極まで至り、該ｎ側電極に電気的に接続され、銀を含む合金または銀で形成された反射膜とを有する半導体発光素子が提供される。
反射膜を電気的にフローティングの状態にしてもよい。
反射膜がｎ側電極、すなわち陰極に接続される。このため、反射膜を構成する金属のイオン化を抑制し、マイグレーションの発生を抑制することができる。
図１（Ａ）に、第１の実施例による半導体発光素子の断面図を示し、図１（Ｂ）に、その平面図を示す。図１（Ｂ）の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面が図１（Ａ）に対応する。サファイアからなる下地基板１の上に、初期核形成層２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層４、発光層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７がこの順番に積層されている。これらの層は、ＩｎｘＡｌｙＧａｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）等の窒化物化合物半導体で形成されている。
基板面内の一部の第１の領域２５において、ｐ型コンタクト層７からｎ型コンタクト層３の表層部までの各層がエッチングされ、ｎ型コンタクト層３の一部が表出している。
ｐ型コンタクト層７の上に、ｐ側オーミック電極１０が形成されている。ｐ側オーミック電極１０は白金（Ｐｔ）で形成され、その厚さは約５ｎｍである。第１の領域２５内のｎ型コンタクト層３の表面上に、ｎ側オーミック電極１１が形成されている。ｎ側オーミック電極１１は、厚さ約３ｎｍのＡｌ層と厚さ約１００ｎｍのロジウム（Ｒｈ）層との２層構造を有する。ｐ側オーミック電極１０及びｎ側オーミック電極１１は、それぞれｐ型コンタクト層７及びｎ型コンタクト層３にオーミック接触する。
ｐ側オーミック電極１０及びｎ側オーミック電極１１の上に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ等からなる厚さ０．３〜３ｎｍの接着層（図示せず）が形成されている。接着層は、その上に堆積される絶縁膜１５の密着性を高めることができる。
ｐ側オーミック電極１０、ｎ側オーミック電極１１を覆うように、基板上に絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５は、例えば酸化シリコンで形成され、その厚さは約３００ｎｍである。絶縁膜１５に、開口１５ａ及び１５ｂが形成されている。開口１５ａの底面にｐ側オーミック電極１０の表面の一部が露出し、開口１５ｂの底面にｎ側オーミック電極１１の表面の一部が露出する。
絶縁膜１５の上に反射膜１６が形成されている。反射膜１６は、ｐ側オーミック電極１０と重なる領域から、第１の領域２５内のｎ側オーミック電極１１上まで延在し、開口１５ｂの底面に露出したｎ側オーミック電極１１に電気的に接続される。反射膜１６は銀（Ａｇ）で形成され、その厚さは約２００ｎｍである。
絶縁膜１５と反射膜１６との間に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ等からなる厚さ０．３〜３ｎｍの接着層（図示せず）が挿入されている。この接着層は、絶縁膜１５と反射膜１６との密着性を高める。反射膜１６の上にも、同様の接着層（図示せず）が形成されている。この接着層は、その上に形成される保護膜１７の密着性を高める。上側の接着層の厚さは、例えば１０ｎｍとする。
開口１５ａの底面に露出したｐ側オーミック電極１０の上にｐ側パッド電極２０が形成され、開口１５ｂの底面に露出したｎ側オーミック電極１１の上にｎ側パッド電極２１が形成されている。ｐ側パッド電極２０及びｎ側パッド電極２１は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／（Ｐｔ／Ａｕ）ｎの多層構造を有する。ここでｎは、Ｐｔ層とＡｕ層との２層の繰り返し回数を示す。最も下に配置されたＴｉ層の厚さは例えば３ｎｍであり、Ｐｔ層とＡｕ層との各々の厚さは例えば１００ｎｍである。繰り返し回数ｎは、例えば２である。なお、繰り返し回数ｎは、成膜の手間及び材料の使用量の観点から、１〜５とすることが好ましい。なお、フリップチップボンディングを行う場合には、ｎ側パッド電極２１の基板側から３層目のＡｕ層の厚さを１００ｎｍ〜１０００ｎｍとし、ｎ側パッド電極２１の上面の高さを、ｐ側パッド電極２０の上面の高さに揃えることが好ましい。
ｐ側パッド電極２０及びｎ側パッド電極２１の上に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ等からなる厚さ０．３〜３ｎｍの接着層（図示せず）が形成されている。この接着層は、その上に形成される保護膜１７の密着性を高める。
反射膜１６、パッド電極２０、２１を覆うように、保護膜１７が形成されている。保護膜１７は酸化シリコンで形成され、その厚さは１００〜３００ｎｍ、望ましくは約２００ｎｍである。保護膜１７に、開口１７ａ及び１７ｂが形成されている。開口１７ａ及び１７ｂの底面に、それぞれｐ側パッド電極２０及びｎ側パッド電極２１の上面が露出する。
図１（Ｂ）に示したように、１つの半導体発光素子の平面形状は、例えば一辺が３００μｍの正方形である。第１の領域２５は、この正方形の一つの頂点を含み、その頂点の近傍の領域で構成される。その形状は、例えば一つの頂点を中心とした中心角９０°の扇形である。ｐ側オーミック電極１０は、第１の領域２５を除く領域に配置され、半導体発光素子の表面の大部分を占める。ｐ側パッド電極２０は、第１の領域２５に含まれる頂点とは反対側の頂点の近傍に配置されている。反射膜１６は、ｐ側パッド電極２０が配置された領域を除き、半導体発光素子の表面の大部分を占める。
次に、第１の実施例による半導体発光素子の製造方法について説明する。サファイアからなる下地基板１上の初期核形成層２からｐ型コンタクト層７までの各層は、例えば有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）または分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）等により形成される。ｐ型コンタクト層７まで形成した後、基板表面を洗浄し、電子ビーム蒸着及びリフトオフ法を用いてｐ側オーミック電極１０及びその上の接着層を形成する。
第１の領域２５に対応する開口が形成されたレジストパターンをマスクとして用い、反応性イオンエッチングにより、ｎ型コンタクト層３の表層部までエッチングし、ｎ型コンタクト層３の一部を露出させる。エッチング後、マスクとして用いたレジストパターンを除去する。ｎ型コンタクト層３の露出した表面上に、電子ビーム蒸着及びリフトオフ法を用いてｎ側オーミック電極１１を形成する。
なお、ｎ型コンタクト層３の表面の一部を露出させた後に、ｐ側オーミック電極１０及びｎ側オーミック電極１１を形成してもよい。
スパッタリングにより絶縁膜１５を形成する。絶縁膜１５に、開口１５ａ及び１５ｂを形成する。なお、リフトオフ法を用いて開口１５ａ及び１５ｂを形成してもよい。電子ビーム蒸着とリフトオフ法を用いて、下側の接着層、反射膜１６及び上側の接着層を形成する。反射膜１６と、開口１５ａの底面に露出したｐ側オーミック電極１０とが短絡されないように、反射膜１６の縁を開口１５ａの縁から１μｍ以上、望ましくは５μｍ程度後退させておく。また、開口１５ｂの底面に露出したｎ側オーミック電極１１に電気的に接続されるように、反射膜１６と開口１５ｂとの重なり幅を３〜５μｍ程度確保しておく。これにより、反射膜１６は、ｐ側オーミック電極１０には接続されず、ｎ側オーミック電極１１に電気的に接続されることになる。
電子ビーム蒸着とリフトオフ法を用いて、ｐ側パッド電極２０、ｎ側パッド電極２１、及びその上の接着層を形成する。ｐ側パッド電極２０は、その外周が開口１５ａの縁よりもやや内側に配置されるように形成することが好ましい。なお、ｐ側パッド電極２０が反射膜１６に接触しなければ、ｐ側パッド電極２０の外周近傍が絶縁膜１５に重なってもよい。
スパッタリングにより保護膜１７を形成する。その後、保護膜１７に開口１７ａ及び１７ｂを形成する。なお、リフトオフ法を用いて開口１７ａ及び１７ｂを形成してもよい。開口１７ａの底面にｐ側パッド電極２０の表面が露出し、開口１７ｂの底面にｎ側パッド電極２１の表面が露出する。
下地基板１の裏面を研削及び研磨し、下地基板１の厚さを約１００μｍまで薄くする。なお、下地基板１の厚さを６０μｍ〜２１０μｍとしてもよい。スクライビング及びブレーキングを行い、発光素子単位に分離する。分離された発光素子は、種々の形態で利用される。例えば、サブマウント基板にフリップチップボンディングされる。その他に、下地基板１を透明接着剤で導光板に貼り付け、ｐ側パッド電極２０及びｎ側パッド電極２１を、導光板に設けられた配線に金線で接続してもよい。
ｎ型クラッド層４、発光層５、及びｐ型クラッド層６の積層構造に順方向電圧を印加することにより、発光層５で発光が生ずる。発光層５で発生した光は、下地基板１を透過して外部に放射される。発光層５で発生し、ｐ型クラッド層６の方へ伝搬する光は、ｐ側オーミック電極１０及び絶縁膜１５を透過し、反射膜１６で下地基板１側へ反射され、下地基板１を透過して外部に放射される。
水分の存在下で電界を印加したときに、陽極でＡｇが溶解することが、Ａｇのマイグレーションの原因になっていると考えられる。上記第１の実施例では、Ａｇで形成された反射膜１６が陰極（ｎ側オーミック電極１１）に接続されているため、Ａｇの溶解が生じない。このため、Ａｇのマイグレーションを抑制することができる。
図２に、上記第１の実施例による半導体発光素子の寿命評価試験の結果を示す。横軸は経過時間を単位「時間」で表し、縦軸は発光出力を相対目盛で表す。比較例として、図１（Ａ）に示したｐ側オーミック電極１０をＡｇで形成し、ｐ側オーミック電極１０が反射膜を兼ねる構造の半導体発光素子の寿命評価試験の結果も示す。図中の黒四角記号が第１の実施例による半導体発光素子の発光出力の経時変化を示し、黒丸記号が比較例の半導体発光素子の発光出力の経時変化を示す。なお、寿命評価試験では、半導体発光素子をサブマウント基板にフリップチップボンディングし、大気中で発光させて発光出力を測定した。発光波長は４０５ｎｍであった。
比較例による半導体発光素子の発光出力は、数十時間で急激に低下しているが、実施例による半導体発光素子の発光出力は、１０００時間経過してもほとんど低下していない。このように、Ａｇからなる反射膜１６を陰極に接続することにより、半導体発光素子の長寿命化を図ることができる。
上記第１の実施例では、ｐ側オーミック電極１０をＰｔで形成したが、発光層５の発光波長域の光を透過させ、ｐ型コンタクト層７とオーミック接触が得られる他の導電材料で形成してもよい。使用可能な材料として、例えばロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等が挙げられる。その他に、Ｐｔ層とＲｈ層との２層構造、またはＮｉ層とＡｕ層との２層構造にしてもよい。Ｎｉ層とＡｕ層との２層構造とする場合には、オーミック接触を得るために、成膜後に熱処理を行う必要がある。また、ＡｕとＮｉの酸化物とで構成された透光性酸化膜を用いることもできる。この場合には、成膜後に、酸化性雰囲気中で熱処理を行う必要がある。
また、上記第１の実施例では、ｎ側オーミック電極１１をＡｌ層とＲｈ層との２層構造（Ａｌ／Ｒｈ構造）としたが、ｎ型コンタクト層３とオーミック接触可能な他の構成としてもよい。例えば、Ａｌ／Ｐｔ構造、Ａｌ／Ｉｒ構造、Ａｌ／Ｐｄ構造、Ｔｉ／Ａｌ構造、Ｖ／Ａｌ構造としてもよい。Ｔｉ／Ａｌ構造、またはＶ／Ａｌ構造を採用する場合には、オーミック接触を得るために、成膜後に熱処理を行う必要がある。
上記第１の実施例では、絶縁膜１５を酸化シリコンで形成したが、発光層５の発光波長域の光を透過させる他の絶縁材料で形成していもよい。例えば、絶縁膜１５の材料として、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）等の酸化物、ポリイミド等の耐熱性有機高分子材料等を用いることができる。
上記実施例ではｐ側パッド電極２０をＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／（Ｐｔ／Ａｕ）ｎの多層構造としたが、その他にＴｉ／Ｒｈ／Ａｕ／（Ｐｔ／Ａｕ）ｎの多層構造、またはＮｉ／Ｒｈ／Ａｕ／（Ｐｔ／Ａｕ）ｎの多層構造としてもよい。
最下層のＴｉ層またはＮｉ層の厚さは、例えば０．３〜１ｎｍとする。その上のＲｈ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の各々の厚さは１００ｎｍとする。また、繰り返し回数ｎは１〜５とする。このような多層構造とすることにより、ｐ側パッド電極２０に反射膜としての機能を持たせ、光の取り出し効率を高めることができる。
上記実施例では反射膜１６をＡｇで形成したが、Ａｇを主成分として含む合金で形成してもよい。反射膜１６の厚さは、発光層５で発生した光を透過させないために、８０ｎｍ以上とすることが好ましい。また、反射膜１６を、Ａｇ以外のマイグレーションの生じやすい金属で形成する場合にも、マイグレーション抑制効果が得られるであろう。特に、反射膜１６を、ｐ側オーミック電極１０よりもマイグレーションの生じ易い金属で形成する場合に有効である。
上記実施例では、保護膜１７を酸化シリコンで形成したが、その他の絶縁材料、例えば酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）等の酸化物、ポリイミド等の耐熱性有機高分子材料等で形成してもよい。
反射膜１６の表面上に、Ａｇよりもイオン化傾向の大きなＡｌ等の金属からなる導電層を形成してもよい。イオン化傾向の差を利用した異種金属接合を併用することにより、電極間に通電しない状態においても、反射膜１６の電気腐食を抑制することができる。
上記第１の実施例では、ｐ側オーミック電極１０、絶縁膜１５、及び反射膜１６が多層反射膜を構成している。反射率は、これらの膜の厚さに依存する。金属薄膜及び誘電体膜で構成される多層膜の反射率を高くする好適条件を、実験により求めることは困難である。このため、シミュレーションにより、多層反射膜の反射率の膜厚依存性を評価した。以下、シミュレーションによる評価結果について説明する。
図３に、シミュレーションに用いた多層反射膜のモデルを示す。ＧａＮからなるコンタクト層７の上に、Ｐｔからなるｐ側オーミック電極１０、Ｔｉからなる接着層１０ａ、ＳｉＯ２からなる絶縁膜１５、Ｔｉからなる接着層１６ａ、Ａｇからなる反射膜１６がこの順番に積層されている。コンタクト層７から反射膜１６へ進む波長４６０ｎｍの光の反射率をしミュレーションにより求めた。
図４に、ｐ側オーミック電極１０の厚さと反射率との関係を示す。横軸はｐ側オーミック電極１０の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸は反射率を単位「％」で表す。接着層１０ａ、絶縁膜１５、接着層１６ａ、及び反射膜１６の厚さは、それぞれ０．３ｎｍ、２８５ｎｍ、０．３ｎｍ、及び２００ｎｍとした。ｐ側オーミック電極１０の厚さが７ｎｍ以下の領域では反射率はほとんど膜厚の影響を受けず、厚さ７ｎｍ以上の領域では、膜厚の増加に伴って反射率が低下している。
図５に、反射膜１６の厚さと反射率との関係を示す。横軸は反射膜１６の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸は反射率を単位「％」で表す。ｐ側オーミック電極１０、接着層１０ａ、絶縁膜１５、及び接着層１６ａの厚さは、それぞれ５ｎｍ、０．３ｎｍ、２８５ｎｍ、及び０．３ｎｍとした。反射膜１６が厚くなるに従って反射率が大きくなり、膜厚が８０ｎｍ付近で反射率が飽和することがわかる。この結果から、反射膜１６の厚さを８０ｎｍ以上にすることが好ましいことがわかる。
図６に、絶縁膜１５の厚さと反射率との関係を示す。横軸は絶縁膜１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸は反射率を単位「％」で表す。接着層１０ａ、接着層１６ａ、及び反射膜１６の厚さは、それぞれ０．３ｎｍ、０．３ｎｍ、及び２００ｎｍとした。図中の３本の曲線は、ｐ側オーミック電極１０の厚さが３ｎｍ、５ｎｍ、及び８ｎｍの場合の反射率を示す。反射率は、絶縁膜１５の厚さの変動に従って周期的に変動する。絶縁膜１５の厚さが約１３０ｎｍ、２８６ｎｍ、及び４４０ｎｍの近傍で反射率が極大値を示している。
反射率が極小値を示す位置における反射率は、ｐ側オーミック電極１０が厚くなるに従って低下することがわかる。絶縁膜１５の厚さが変動した時の反射率の低下を抑制するために、ｐ側オーミック電極１０を薄くすることが好ましい。ところが、薄くしすぎると、ｐ型コンタクト層７に均一にキャリアを注入するという電極本来の目的を達成できなくなる。高反射率及びキャリアの均一な注入の両方の要請を満たすために、ｐ側オーミック電極１０の厚さを１ｎｍ〜１５ｎｍとすることが好ましく、３ｎｍ〜８ｎｍとすることがより好ましい。また、ｐ側オーミック電極１０の厚さを１〜５ｎｍと薄くし、その上に、ＰｔまたはＲｈからなるメッシュ状の補助電極を設けてもよい。このメッシュを構成する１本の電極の幅を、例えば２〜５μｍとし、電極の間隔を、例えば１０〜１５ｎｍとすればよい。
シミュレーションからは、絶縁膜１５の厚さが約２８６ｎｍときに反射率が極大値を示すことがわかったが、実際に評価用試料を作製して反射率を測定したところ、絶縁膜１５の厚さが３００ｎｍ近傍で反射率が極大値を示した。実験で得られた絶縁膜１５の最適膜厚が、シミュレーションで得られた絶縁膜１５の最適膜厚からずれたのは、シミュレーションで使用した各膜の光学特性と、実際に形成された各膜の光学特性とが正確には一致しないためと考えられる。絶縁性の確保及びエッチング時間等の観点から、絶縁膜１５の厚さを１００〜６００ｎｍとすることが好ましく、２００〜４００ｎｍとすることがより好ましい。
図７及び図８に、絶縁膜１５の厚さと反射率との関係を、種々の波長について示す。横軸は絶縁膜１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸は反射率を単位「％」で表す。ｐ側オーミック電極１０、接着層１０ａ、接着層１６ａ、及び反射膜１６の厚さは、それぞれ５ｎｍ、０．３ｎｍ、０．３ｎｍ、及び２００ｎｍとした。図７及び図８に示した複数の曲線の各々に付した数値は、反射すべき光の波長を示す。
反射すべき光の波長が変わると、反射率が極大値を示す絶縁膜１５の厚さが変化する。絶縁膜１５は、発光層で発生する光の波長に応じて、反射率が極大値を示す近傍の厚さとすることが好ましい。
以上、シミュレーションを行うことにより、反射率を大きくするための膜厚の条件を求めたが、実際には、各膜の成膜方法により、膜の屈折率や消衰係数がいくらか異なる。また、反射率は、膜の表面粗さにも影響される。このため、各膜の最適膜厚は、シミュレーションで得られた最適膜厚を参考にして、膜厚の異なる複数の評価用試料を作製し、実際に反射率を測定することによって決定することが好ましい。シミュレーション結果は、評価用試料の各膜の厚さを決定する尺度になる。
次に、実際に評価用試料を作製し、その反射率を測定した結果について説明する。評価用試料では、図３のｐ側コンタクト層７として、厚さ３２０μｍのサファイア基板を用いた。ｐ側オーミック電極１０を、厚さ５ｎｍ、８ｎｍ、及び１０ｎｍのＰｔ膜とし、接着層１０ａ及び１６ａを厚さ０．３ｎｍのＴｉ膜とし、絶縁膜１５を厚さ３１３ｎｍのＳｉＯ２膜とし、反射膜１６を厚さ２００ｎｍのＡｇ膜とした。
サファイア基板の上に厚さ４〜８μｍ程度のＧａＮ膜を形成すると、基板に反りが発生する。基板に反りが発生すると、反射率を測定するための入射光の入射角を正確に調整できなくなる。このため、測定用試料では、ＧａＮ層を形成しないサファイア基板を用いた。
図９に、反射率の測定結果を示す。横軸は波長を単位「ｎｍ」で表し、縦軸は反射率を単位「％」で表す。作製した試料においては、波長が３５０〜３６０ｎｍ、及び５１０〜５２０ｎｍのときに、反射率が極大値を示した。種々の試料を作製して反射率を測定することにより、サファイア基板上に形成した多層反射膜の反射率と、ＧａＮ層上に形成した多層反射膜の反射率との関係を得ることができる。この関係を利用して、絶縁膜１５の好ましい膜厚を予測することができる。
次に、図１０及び図１１を参照して、第２の実施例による半導体発光素子について説明する。
図１０に、第２の実施例による半導体発光素子の平面図を示す。図１（Ｂ）に示した第１の実施例では、反射膜１６が無地の膜であり、ｐ側オーミック電極１０の大部分の領域と重なっていた。第２の実施例では、反射膜１６の代わりに、格子状の反射パターン１６ａが配置されている。その他の基本構成は、第１の実施例による半導体発光素子の構成と同様である。図１０では、ｐ側パッド電極２０及びｎ側パッド電極２１が、相互に対向する一対の辺の中央よりやや内側に配置されている場合が示されているが、図１（Ｂ）に示した第１の実施例の場合のように、矩形の頂点近傍に配置してもよい。
第２の実施例による半導体発光素子においては、発光層で発生した光が支持基板を通して外部に放射されると共に、反射パターン１６ａの開口部を通して支持基板と反対側にも放射される。さらに、反射パターン１６ａで散乱され、半導体発光素子の側方にも光が放射される。
図１１に、第２の実施例による半導体発光素子を実装したランプの概略断面図を示す。凹部を有する金属製のフレーム３０の凹部の底面に、図１０に示した半導体発光素子２８が、支持基板をフレーム側にして装着されている。フレーム３０から陰極リード３１が延びている。半導体発光素子２８のｎ側パッド電極２１が、金線３５を介してフレーム３０に接続されている。ｐ側パッド電極２０が金線３６を介して陽極リード３２に接続されている。
フレーム３０の凹部は、蛍光体３７で埋め込まれている。半導体発光素子２８は、蛍光体３７に被覆されることになる。フレーム３０、陰極リード３１、及び陽極リード３２が、封止樹脂３８でモールドされている。
半導体発光素子２８の下方（支持基板側）に放射された光は、フレーム３０で反射され、蛍光体３７に入射する。また、半導体発光素子２８の側方や上方（支持基板の反対側）に放射された光も蛍光体３７に入射する。蛍光体３７は、光を受けることにより蛍光を発生させる。この蛍光が、樹脂モールド３８の外部に放射される。
半導体発光素子２８の下方、側方、及び上方に光が放射されるため、色むらを軽減することができる。
第２の実施例では、反射パターン１６ａを格子状にしたが、開口部を有し、光を散乱させるその他のパターンにしてもよい。例えば、縞状パターン、ハニカム状パターン等にしてもよい。
次に、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）及び図１３を参照して、第３の実施例による半導体発光素子について説明する。
図１２（Ａ）に、第３の実施例による半導体発光素子の断面図を示し、図１２（Ｂ）にその平面図を示す。図１２（Ｂ）の一点鎖線Ａ１２−Ａ１２における断面図が図１２（Ａ）に相当する。以下、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示した第１の実施例による半導体発光素子との相違点について説明する。
第１の実施例では、ｎ側パッド電極２１がｎ側オーミック電極１１の上に配置されていたが、第２の実施例では、ｎ側パッド電極２１がｐ側オーミック電極１０の上方に配置され、反射膜１６に接触している。保護膜１７に形成された開口１７ａ及び１７ｂの底面に、それぞれｐ側パッド電極２０及びｎ側パッド電極２１が露出している。
図１２（Ｂ）に示すように、ｎ側オーミック電極１１は、支持基板１の一つの辺の近傍に、その辺に沿って配置されている。ｐ側パッド電極２０は、ｎ側オーミック電極１１が沿う辺に対向する辺の一方の端部近傍に配置されている。反射膜１６は、ｐ側パッド電極２０の配置されていない領域の大部分を占める。ｎ側パッド電極２１は、反射膜１６とｐ側オーミック電極１０との重なる領域のうち大部分を占める。
図１３に、第２の実施例による半導体発光素子を実装したランプの概略断面図を示す。第２の実施例による半導体発光素子５０が、サブマウント基板４３にフリップチップボンディングされている。半導体発光素子５０のｐ側パッド電極２０及びｎ側パッド電極２１が、それぞれサブマウント基板４３上の陽極配線４４及び陰極配線４５に接続されている。サブマウント基板４３がステム４０に固定されている。ステム４０に、陽極リード４２及び陰極リード４１が固定されている。陽極配線４４が金線４６を介して陽極リード４２に接続され、陰極配線４５が金線４７を介して陰極リード４１に接続されている。
半導体発光素子５０及びサブマウント基板４３は、封止樹脂４８により封止されている。半導体発光素子５０の発光層で発生した光は、図１２（Ａ）に示した反射膜１６で反射され、支持基板１及び封止樹脂４８を透過して外部に放射される。
第２の実施例による半導体発光素子においては、第１の実施例による半導体発光素子に比べて、ｎ側パッド電極２１が素子表面の広い領域を占める。この広いｎ側パッド電極２１を介して、素子内で発生した熱がサブマウント基板４３に効率的に流れる。このため、良好な放熱特性を確保することができる。
次に、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）を参照して、第３の実施例による半導体発光素子について説明する。
図１４（Ａ）に、第３の実施例による半導体発光素子の断面図を示し、図１４（Ｂ）に、その平面図を示す。図１４（Ｂ）の一点鎖線Ａ１４−Ａ１４における断面図が図１４（Ａ）に相当する。第３の実施例においては、４つのｎ側オーミック電極１１が、それぞれ正方形状の支持基板１の４つの辺に沿うように配置されている。反射膜１６が、４つのｎ側オーミック電極１１に接続される。ｐ側パッド電極２０を内包するように、反射膜１６に開口１６ａが形成されている。開口１６ａを形成することにより、反射膜１６とｐ側パッド電極２０との短絡が回避される。
第３の実施例では、４つのｎ側オーミック電極１１が形成されているため、電極の接触面積を大きくすることができ、接触抵抗の低減を図ることが可能になる。また、４つのｎ側オーミック電極１１を正方形の４つの辺に沿って配置することにより、基板面内における電流の偏りを少なくすることができる。
支持基板１の頂点近傍は、素子分離の際に欠け易い。このため、ｎ側オーミック電極１１は、支持基板１の頂点近傍まで延在させないことが好ましい。
また、第３の実施例では、ｎ型クラッド層４からｐ型クラッド層７までの積層で構成されたメサ部の側面の全域が反射膜１６で覆われている。このため、発光層５から側方に放射された光を効率的に支持基板１側に反射させることができ、光の取り出し効率を高めることができる。光の取り出し効率をより高めるために、メサ部の側面を傾斜させることが好ましい。例えば、メサ部の側面の傾斜角を６０°以下にすることが好ましい。
以下、メサ部の側面を傾斜させる方法の一例について説明する。通常のレジストパターンを形成する時は、フォトマスクをレジスト膜に接触させて露光を行なう。メサ部の側面を傾斜させる場合には、フォトマスクをレジスト膜から僅かに浮かせて露光を行なう。レジスト膜とフォトマスクとの間に間隙が形成されるため、フォトマスクのパターンのエッジ部分がぼけて転写される。レジスト膜を現像すると、側面が傾斜したレジストパターンが得られる。
このレジストパターンをエッチングマスクとして、窒化物半導体層をドライエッチングすると、レジストパターン自体も徐々にエッチングされるため、レジストパターンの側面の傾きに対応して、窒化物半導体のメサ部の側面が傾斜する。
上記実施例では、反射膜１６をｎ側オーミック電極１１に接続したが、反射膜１６を、ｐ側オーミック電極１０及びｎ側オーミック電極１１のいずれにも接続せず、電気的にフローティング状態にしてもよい。フローティング状態の場合にも、図１５（Ｂ）や図１５（Ｃ）に示したように反射膜を陽極に接続する場合に比べて、マイグレーションを抑制することができる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
第１の実施例による半導体発光素子の断面図である。 第１の実施例による半導体発光素子の平面図である。 第１の実施例による半導体発光素子の寿命を、比較例による素子の寿命と比較して示すグラフである。 反射率のシミュレーションを行った積層構造のモデルを示す断面図である。 ｐ側オーミック電極の厚さと反射率との関係を示すグラフである。 反射膜の厚さと反射率との関係を示すグラフである。 絶縁膜の厚さと反射率との関係を、ｐ側オーミック電極の厚さごとに示すグラフである。 絶縁膜の厚さと反射率との関係を、波長ごとに示すグラフである。 絶縁膜の厚さと反射率との関係を、波長ごとに示すグラフである。 波長と反射率との関係を、ｐ側オーミック電極の厚さごとに示すグラフである。 第２の実施例による半導体発光素子の平面図である。 第２の実施例による半導体発光素子を搭載したランプの概略断面図である。 第３の実施例による半導体発光素子の断面図である。 第３の実施例による半導体発光素子の平面図である。 第３の実施例による半導体発光素子を搭載したランプの概略断面図である。 第４の実施例による半導体発光素子の断面図である。 第４の実施例による半導体発光素子の平面図である。 Ａｇの反射膜を用いた従来の半導体発光素子の断面図である。 Ａｇのマイグレーションを抑制する従来の半導体発光素子の断面図である。 Ａｇのマイグレーションを抑制する従来の半導体発光素子の断面図である。
符号の説明
１ 下地基板
２ 初期核形成層
３ ｎ型コンタクト層
４ ｎ型クラッド層
５ 発光層
６ ｐ型クラッド層
７ ｐ型コンタクト層
１０ ｐ側オーミック電極
１０ａ、１６ａ 接着層
１１ ｎ側オーミック電極
１５ 絶縁膜
１６ 反射膜
１６ａ 反射パターン
１７ 保護膜
２０ ｐ側パッド電極
２１ ｎ側パッド電極
２５ 第１の領域
２８、５０ 半導体発光素子
３０ フレーム
３１、４１ 陰極リード
３２、４２ 陽極リード
３５、３６、４６、４７ 金線
３７ 蛍光体
３８、４８ 封止樹脂
４０ ステム
４３ サブマウント基板
４４ 陽極配線
４５ 陰極配線

Claims (17)

  1. ｎ型の窒化物半導体からなる第１の層、及び該第１の層の上に配置されたｐ型の窒化物半導体からなる第２の層を含み、該第１の層と第２の層との間に発光領域を画定し、該第１の層の表面の一部の第１の領域において、該第２の層が除去されて該第１の層が現われている発光積層構造と、
    前記第２の層の表面上に配置され、該第２の層に電気的に接続されたｐ側電極と、
    前記ｐ側電極を覆う絶縁膜と、
    前記第１の領域において、前記第１の層に電気的に接続されたｎ側電極と、
    前記絶縁膜の上に配置され、前記ｎ側電極まで至り、該ｎ側電極に電気的に接続され、銀を含む合金または銀で形成された反射膜と
    を有する半導体発光素子。
  2. 前記ｐ側電極が、前記発光領域の発光波長の光を透過させる請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 前記ｐ側電極が、Ｐｔ、Ｒｈ及びＰｄからなる群より選択された１つの金属で形成されており、その厚さが１ｎｍ〜１５ｎｍである請求項１または２に記載の半導体発光素子。
  4. ｎ型の窒化物半導体からなる第１の層、及び該第１の層の上に配置されたｐ型の窒化物半導体からなる第２の層を含み、該第１の層と第２の層との間に発光領域を画定し、該第１の層の表面の一部の第１の領域において、該第２の層が除去されて該第１の層が現われている発光積層構造と、
    前記第２の層の表面上に配置され、該第２の層に電気的に接続され、前記発光領域で発生した光を透過させるｐ側電極と、
    前記ｐ側電極を覆う絶縁膜と、
    前記第１の領域において、前記第１の層に電気的に接続されたｎ側電極と、
    前記絶縁膜の上に配置され、前記ｎ側電極まで至り、該ｎ側電極に電気的に接続され、前記発光領域で発生した光を反射する反射膜と
    を有する半導体発光素子。
  5. ｎ型の窒化物半導体からなる第１の層、及び該第１の層の上に配置されたｐ型の窒化物半導体からなる第２の層を含み、該第１の層と第２の層との間に発光領域を画定し、該第１の層の表面の一部の第１の領域において、該第２の層が除去されて該第１の層が現われている発光積層構造と、
    前記第２の層の表面上に配置され、該第２の層に電気的に接続されたｐ側電極と、
    前記ｐ側電極を覆う絶縁膜と、
    前記第１の領域において、前記第１の層に電気的に接続されたｎ側電極と、
    前記絶縁膜の上に配置され、銀を含む合金または銀で形成され、前記ｐ側電極及びｎ側電極のいずれにも接続されておらず電気的にフローティング状態にされた反射膜と
    を有する半導体発光素子。
  6. 前記ｐ側電極が、前記発光領域の発光波長の光を透過させる請求項５に記載の半導体発光素子。
  7. 前記ｐ側電極が、Ｐｔ、Ｒｈ及びＰｄからなる群より選択された１つの金属で形成されており、その厚さが１ｎｍ〜１５ｎｍである請求項５または６に記載の半導体発光素子。
  8. ｎ型の窒化物半導体からなる第１の層、及び該第１の層の上に配置されたｐ型の窒化物半導体からなる第２の層を含み、該第１の層と第２の層との間に発光領域を画定し、該第１の層の表面の一部の第１の領域において、該第２の層が除去されて該第１の層が現われている発光積層構造と、
    前記第２の層の表面上に配置され、該第２の層に電気的に接続され、前記発光領域で発生した光を透過させるｐ側電極と、
    前記ｐ側電極を覆う絶縁膜と、
    前記第１の領域において、前記第１の層に電気的に接続されたｎ側電極と、
    前記絶縁膜の上に配置され、前記ｐ側電極及びｎ側電極のいずれにも接続されておらず電気的にフローティング状態にされ、前記発光領域で発生した光を反射する反射膜と
    を有する半導体発光素子。
  9. さらに、前記ｐ側電極と前記絶縁膜との間に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、及びＭｏからなる群より選択された少なくとも１つの金属からなる中間層が配置されている請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光素子。
  10. 前記絶縁膜が、前記発光領域の発光波長の光を透過させる請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光素子。
  11. 前記絶縁膜が、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タンタル、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、及び絶縁性高分子材料からなる群より選択された少なくとも１つの材料で形成されている請求項１〜９のいずれかに記載の半導体発光素子。
  12. さらに、前記反射膜を覆う絶縁性の保護膜を有する請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体発光素子。
  13. 前記保護膜が、酸化シリコン、酸化チタン、酸化タンタル、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、及び絶縁性高分子材料からなる群より選択された少なくとも１つの材料で形成されている請求項１２に記載の半導体発光素子。
  14. さらに、前記反射膜と前記保護膜との間に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、及びＭｏからなる群より選択された少なくとも１つの金属からなる中間層が配置されている請求項１２または１３に記載の半導体発光素子。
  15. さらに、前記ｐ側電極の表面の一部の領域上に配置されたフリップチップボンディング用のｐ側パッドと、
    前記ｎ側電極の表面の一部の領域上に配置されたフリップチップボンディング用のｎ側パッドと
    を有する請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体発光素子。
  16. さらに、前記ｐ側電極の表面の一部の領域上に配置されたフリップチップボンディング用のｐ側パッドと、
    前記反射膜のうち、前記第２の層と重なる部分の表面上に配置されたフリップチップボンディング用のｎ側パッドと
    を有する請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体発光素子。
  17. 前記反射膜が、前記発光領域で発光し該反射膜に向かって進行する光を散乱させるような平面形状を有し、
    さらに、前記反射膜で散乱された光が入射することにより蛍光を発生する蛍光体を有する請求項１〜１４のいずれかに記載の半導体発光素子。
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