JP2007036078A - ｐｎ接合型発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】ｐｎ接合型発光ダイオードにあって、発光の外部への取り出し効率に優れ、且つ、電極間の素子駆動電流の短絡的な流通を防止できる、静電耐圧の向上した発光ダイオードを提供する。
【解決手段】第１の伝導型の導電層と、発光層と、第２の伝導型の導電層と、発光層からの発光を外部に取り出す方向に在る一方の極性のオーミック（Ohmic）電極及び一方の台座（ｐａｄ）電極と、それに対向する他方の極性のオーミック電極形成部内に配置された他方の台座電極と、を備えた化合物半導体のｐｎ接合型発光ダイオードである。
この発光ダイオードの前記一方の極性のオーミック電極を、開口部を有する導電性薄膜で構成する。そしてこの電極の先端部で導通させて、前記他方の極性のオーミック電極形成部側に開口部の無い導電性の連続膜が設けられている構成からなる。

Description

本発明は、ｐｎ接合型発光ダイオードに関する。特に望ましくは窒化ガリウム（ＧａＮ）系等のIII−Ｖ族化合物半導体を用いたｐｎの異種（hetero）接合構造であって、静電耐圧に優れ、動作信頼性の高いｐｎ接合型発光ダイオードに関する。

近年、青色帯或いは緑色帯の発光を放射する短波長光発光素子用の半導体材料としてＡｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）等の窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体が注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。ＧａＮ系化合物半導体は、サファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）に加えて、種々の酸化物単結晶やIII−Ｖ族化合物半導体単結晶を基板として、その上に有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の気相成長手段に依り、もっぱら形成されている（例えば、特許文献２参照）。

ＬＥＤ或いはレーザダイオード（ＬＤ）等のｐｎ接合型発光素子には、発光層に素子を駆動するための電流（素子駆動電流）を順方向に流通させるための正（＋）極及び負（−）極のオーミック電極が設けられている。炭化珪素（ＳｉＣ）やリン化ガリウム（ＧａＰ）等の導電性半導体結晶を基板とする場合とは異なって、サファイア等の電気的に絶縁性の結晶基板では、基板にオーミック電極を設ける訳にはいかない。サファイア等の絶縁性結晶を基板としたＧａＮ系ｐｎ接合型発光素子にあっては、正及び負の極性の一対のオーミック電極は、従来から、絶縁性基板上に形成した積層構造体上に設けられている。

ＧａＮ系ｐｎ接合型発光ダイオードの積構造体をなす各層は、所謂、ワイドバンドギャップ（広禁止帯幅）材料である。従って、低い接触抵抗のオーミック電極を安定して形成できす、素子駆動電流を広範囲にわたって平面的に拡散させ難い。このため、ｐ型ＧａＮ系半導体層に設けるｐ型オーミック電極は、従来から、ｐ型ＧａＮ系半導体層の略全面に配置した、金属薄膜からもっぱら構成されている（例えば、特許文献３参照）。また、特開平６−３１４８２２号公報（特許文献３）に記載されている発明には、電極を構成するための金属材料として、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、インジウム（Ｉｎ）、クロム（Ｃｒ）、及びチタン（Ｔｉ）等が開示されている。

開口部を有する金属膜からオーミック電極を構成する技術も知れている（例えば、特許文献４参照）。開口部を有するオーミック電極とは、具体的には、網（net）状或いは櫛型状の電極である（前記特許文献４参照）。発光の外部への取り出し方向に設けるオーミック電極に開口部を設けて、発光層から放射される発光が電極材料に吸収される度合いを低減し、外部へ効率的に発光を取り出すためである。これらの網状或いは格子状に一様に張りめぐらされた電極の一部には、電気的に導通させて台座（pad）電極が配置されている。また、他方の極性のオーミック電極は、その台座電極に対向する位置に設けるのが通例となっている。
特公昭５５−３８３４号公報 特開昭５１−１１７１９９号公報 特開平６−３１４８２２号公報 特開平６−６９５４６号公報

ｎ型或いはｐ型オーミック電極を設けるＧａＮ系化合物半導体は、例えば、砒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓ）ＬＥＤ等の他のIII−Ｖ族化合物半導体ＬＥＤを構成するための構成層と比較すれば、一般に抵抗が高い。このため、素子駆動電流は、一方の極性の台座電極と、その台座電極に最も近接している、例えば、張りめぐらされたオーミック電極の一端との間で短絡的に流通してしま
う。

短絡的な素子動作電流の流通する領域は、層の抵抗が高いために、むしろ比較的狭い領域に限定されている。従って、その領域では、電流密度が大となり、その領域にある電極が部分的に焼損してしまう不都合が生じている。係る電流集中が発生する状況では、静電気等に因る破壊（静電破壊）に対する充分な耐性も得られないのが現状である。

本発明は上記のような電極の熱的破壊或いは静電破壊を防止することを目的とする。

本発明者は上記の目的を達成するため鋭意研究した結果、一方の電極の周囲の領域に、他方の極性に属する、電流拡散の良い領域を設けるのが有効であることを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明は以下の各発明からなる。

（１）第１の伝導型の導電層と、発光層と、第２の伝導型の導電層と、発光層からの発光を外部に取り出す方向に在る一方の極性のオーミック（Ohmic）電極及び一方の台座（ｐａｄ）電極と、それに対向する他方の極性のオーミック電極形成部内に配置された他方の台座電極と、を備えた化合物半導体のｐｎ接合型発光ダイオードに於いて、前記一方の極性のオーミック電極を、開口部を有する導電性薄膜で構成すると共に、該電極の先端部で該電極に導通して、前記他方の極性のオーミック電極形成部側に開口部の無い導電性の連続膜が設けられている、ことを特徴とするｐｎ接合型発光ダイオード。

（２）上記開口部を有する一方のオーミック電極と一方の台座電極が電気的に導通していることを特徴とする上記（１）に記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
（３）開口部の無い導電性の連続膜が占める平面積を、開口部を有するオーミック電極が設けられている導電層の平面積未満とした、ことを特徴とする上記（１）または（２）に記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
（４）開口部の無い導電層の連続膜が占める平面積を、開口部を有するオーミック電極が設けられている導電層の平面積の１／２以下とした、ことを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。

（５）開口部の無い導電層の連続膜が、開口部を有するオーミック電極と接触させて設けられている、ことを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
（６）開口部の無い導電層の連続膜が、前記他方の極性のオーミック電極形成部に隣接して、開口部を有するオーミック電極の端部に設けられている、ことを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。

（７）開口部の無い導電層の連続膜が、前記他方の極性のオーミック電極形成部の周囲に配置されている、ことを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
（８）開口部の無い導電層の連続膜が、開口部を有する導電性薄膜とは、異なる金属材料から構成されている、ことを特徴とする、上記（１）〜（７）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
（９）開口部の無い導電層の連続膜が、開口部を有する導電性薄膜を構成する材料よりは、高い融点の金属材料から構成されている、ことを特徴とする上記（１）〜（８）いずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。

（１０）開口部の無い導電層の連続膜が、遷移金属または遷移金属の合金から構成されている、ことを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
（１１）開口部の無い導電層の連続膜が、白金族金属またはその合金から構成されている、ことを特徴とする上記（１）〜（９）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
（１２）開口部の無い導電層の連続膜、及び開口部を有する導電性薄膜の双方が、発光層からの発光を透過できる導電性の材料から構成されている、ことを特徴とする上記（１）〜（１１）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。

（１３）ｐｎ接合型発光ダイオードがIII−Ｖ族化合物系である上記（１）〜（１２）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
（１４）ｐｎ接合型発光ダイオードが窒化ガリウム系である上記（１）〜（１３）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
（１５）上記（１）から（１４）のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせた発光ダイオード。
（１６）上記（１５）に記載の発光ダイオードを用いた照明器具。

本発明は、一方のオーミック電極を開口部を有する金属等の導電性膜とすると共に、他方の電極形成部側の領域に、電流拡散をよくするための導電性連続膜を配備して、発光ダイオードを構成したので、開口部を介して、吸収を避けた高い強度の発光を外部へ取り出せ、尚且つ、オーミック電極間の短絡的な素子駆動電流の通流が防止された、静電耐圧にも優れるｐｎ接合型ＧａＮ系発光ダイオードを提供できる。

以下図面を参照して本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の発光ダイオードの１例を示す平面図である。
図には省略してあるが、本発明の発光ダイオードは少なくとも第１の伝導型の導電層（ｎ又はｐ型の半導体層）と、発光層と、第２の伝導型の導電層（前記に対応してｐ又はｎ型の半導体層）とを有する。そして発光層からの光を取り出す方向の導電層上に、開口部１１を有する一方の極性のオーミック（Ohmic）電極１０が、さらにその上に一方の台座電極１２が形成されている。このオーミック電極１０はｐ型が好ましいが、ｎ型でも可能である。

上記一方の極性（ｐまたはｎ型）の電極に対向して他方の極性（ｎまたはｐ型）の電極形成部１３ａが設けられる。この電極形成部１３ａは導電層の上面から他方の極性の導電層が露出するまでエッチングして形成したものである。ここで露出した面に他方のオーミック電極を介し、あるいは介さずに直接他方の台座電極１３が設けられる。直接台座電極を設けた場合はオーミック電極を兼ねる。
本発明は上記の構成からなる発光ダイオードにいて、一方の極性のオーミック電極１０に対する他方の電極形成部側に開口部のない金属等の導電性連続膜１４が設けられているのが特徴である。
連続膜１４はオーミック電極１０と同一平面、即ち、オーミック電極１０が形成されている導電層と同じ導電層上に形成される。そしてオーミック電極１０と先端で繋がっている。

以下本発明を構成する各要素等について説明する。
本発明のｐｎ接合型発光ダイオードには、窒化ガリウム系等のIII−Ｖ族化合物半導体を用いるのが好ましい。そのための積層構造体は、サファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）、４Ｈ結晶型または６Ｈ結晶型の六方晶(hexagonal)炭化珪素（ＳｉＣ）やウルツ鉱結晶型(wurtzite)窒化ガリウム（ＧａＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの六方晶の単結晶を基板として形成できる。また、燐化ガリウム（ＧａＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）及び珪素（Ｓｉ）等の閃亜鉛鉱結晶型（zinc-blende）の半導体単結晶を基板として利用できる。

六方晶或いは立方晶のＧａＮの基板を除いて、積層構造体をなす各窒化ガリウム系化合物半導体層は、一般に、格子不整合の関係にある結晶基板上に設けられる。このため、基板の結晶との格子ミスマッチを緩和するために、基板と量子井戸構造の発光層との中間に、低温で成長させた緩衝（バッファ）層（低温緩衝層）を設けても構わない。或いは、シーディングプロセス（ＳSeeding Process：ＳＰ）法に依る格子不整合結晶系エピタキシャル成長技術を用いて、低温緩衝層を要せずに、発光層をなすＧａＮ系化合物半導体層を形成しても構わない（特開２００３−２４３３０２号公報参照）。特に、ＧａＮ系化合物半導体層を成長させるための高温領域で、サファイア等の基板表面に、格子ミスマッチ度の大きな例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）単結晶膜を直接、成長できるＳＰ法は、積層構造体の形成工程の簡略化をもたらせるため、ＧａＮ系ｐｎ接合型発光ダイオードの生産性の向上などに貢献できる。基板は積層体製造後除去することもできる。

本発明のＧａＮ系ｐｎ接合型発光ダイオードの積層構造体には、ｐｎ接合型単一異種接合（single hetero）構造でも良いが、より高い強度の発光を得るために、ｐｎ接合型２重異種接合（double hetero：ＤＨ）構造の発光部を備えさせる。発光部とは、発光層と、それを両側から挟持するｎ型またはｐ型クラッド（clad）層とから構成されるｐｎ接合構造部である。発光層は、例えば、窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_YＩｎ_ZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）、また窒化燐化ガリウム（組成式ＧａＮ_1-aＰ_a：０≦ａ＜１）などから形成する。

発光層は、単一層のみから構成しても良くが、より単色性に優れる発光を得るために量子井戸構造とする。単一量子井戸構造（SQW）よりは多重量子井戸構造(MQW)から構成する。量子井戸構造の発光層は、例えば、Ａｌ_XＧａ_YＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）からなる障壁層と、Ｇａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）からなる井戸層とを交互に積層させて構成する。また例えば、窒化燐化ガリウム（組成式ＧａＮ_1-aＰ_a：０≦ａ＜１）からなる井戸層（well）と、より禁止帯幅の大きなＧａＮ_1-aＰ_a（０≦ａ＜１）からなる障壁（barrier）層とを交互に周期的に積層させて構成する。

多重量子井戸構造の場合、交互に積層させる際の周期数は３以上で２０以下、更に好ましくは、５以上で１０以下とする。この障壁層と井戸層とは、キャリア濃度は相違しても差し支えはないが、同一の伝導型のＧａＮ系化合物半導体から構成する。量子井戸構造の始端及び終端は、何れも、井戸層であっても障壁層であっても構わない。また、始端が障壁層で、終端が井戸層であるか、またはその逆であっても差し支えはない。

量子井戸構造をなす井戸層の層厚は、２ｎｍ以上で１２ｎｍ以下であるのが好まれる。従来の如く膜厚を略均一とするのではなく、領域的（部分的）に層厚を薄くした層厚を不均一とする井戸層を用いて量子井戸構造を構成するとなおの事、好ましい。層厚が１．５ｎｍ以下である領域を部分的に形成したＧａＮ系化合物半導体から構成された井戸層は好適に利用できる。部分的に膜厚が薄い領域を含む、層厚を不均一とする井戸層を利用した量子井戸構造の発光層は、ｐｎ接合型ＧａＮ系発光ダイオードの順方向電圧を低下させる作用を有する。また、層厚を不均一とする井戸層を、不純物をドーピングして低抵抗とした障壁層に接合させると、井戸層への及ぼされるピエゾ（piezo）効果に因る悪影響が低減され、波長の安定した発光をもたらせる量子井戸構造の発光層を構成できる。

１．５ｎｍ以下の膜厚を有する領域は、井戸層の内部全体に均等に存在させる必要は敢えてなく、井戸層の内部の一領域に偏在させても構わない。また、井戸層は連続的な層となっている必要は必ずしも無く、井戸層が存在しない領域、即ち、膜厚が０（零）である領域が存在していても構わない。井戸層が存在しない領域では、井戸層の上面及び下面に接合する双方の障壁層が直接、接合する領域となる。また、例えば、障壁層とクラッド層とが直接、接合する領域となっている。

この様な、部分的に膜厚を薄くした、層厚の不均一な井戸層は、それを成膜する際の成膜系への第Ｖ族原料の供給方法を独特とすることで形成され得る。例えば、Ｇａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）からなる井戸層を成膜するに際し、成膜中に常時一定量の窒素原料を供給するのではなく、経時的に窒素原料の供給量を変化させると形成できる。特に、窒素原料の供給量を周期的に減少させると効率的に形成できる。井戸層を成膜するための成長時間内に於いて、例えば、１秒間毎に供給する窒素原料を増減させる。減少させるとしても、成長層から窒素の揮散を抑制できる防止できる供給量は維持する。窒素原料が不足した成長環境をより長く継続すると、層厚の薄い領域を同一の井戸層内により多く形成できる。構成元素としての窒素の不足が超時間に亘ると、第III族構成元素が凝縮して液滴となる度合いが高まり、その液滴の周囲では、第III族元素が不足するため、従って、形成される膜の膜厚は薄くなると推定される。井戸層内部の層厚の薄い領域の存在とその領域の層厚は、例えば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用した断面ＴＥＭ技法で、井戸層の断面構造を観察すれば知れる。

また、井戸層の成長の初期に、窒素等の第Ｖ族構成原料の成膜系への供給量を故意に減ずると、不均一な層厚の井戸層を形成し得る。例えば、トリメチルガリウム（分子式：（ＣＨ₃）₃Ｇａ）とアンモニア（分子式：ＮＨ₃）とを構成元素の原料とする常圧（略大気圧）或いは減圧ＭＯＣＶＤ法に依り、例えば、Ｇａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）井戸層を成膜するに際し、その成膜初期の段階に於いて、所謂、Ｖ／III比率（成膜系へ供給する第III族構成原料の濃度に対する第Ｖ族構成元素原料の濃度の比率、即ち、ＮＨ₃／（ＣＨ₃）₃Ｇａ濃度比率）を１×１０³以上で１×１０⁴以下とする。更に好ましくは、２×１０³以上で５×１０³以下の範囲とする。この様な比較的に低いＶ／III比率で成膜を続行するのは、時間的に長くとも、成長が開始された時点から予定の膜厚の１／３に達する迄に止めておくのが望ましい。所望の膜厚に至る迄、低Ｖ／III比率で成長を継続すると、層状とはならず、単に第III族構成元素を富裕に含む液滴が例えば、発光部を構成するクラッド層等の表面上に形成されるのみとなる。

ｎ型またはｐ型クラッド層は、発光層よりも禁止帯幅を大とする組成式Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ_1-aＭ_a（０≦Ｘ，Ｙ，Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、記号Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０≦ａ＜１である。）で表せるＧａＮ系化合物半導体から構成する。ｎ型クラッド層は、例えば、珪素（Ｓｉ）或いはゲルマニウム（Ｇｅ）等の第IV族元素、或いはセレン（Ｓｅ）等の第六族元素をドーピングして形成する。ｐ型クラッド層は、マグネシウム（Ｍｇ）やベリリウム（Ｂｅ）等の第II族元素をｐ型不純物としてドーピングして形成する。クラッド層をなすＧａＮ系化合物半導体層のキャリア濃度は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲とするのが望ましい。クラッド層の膜厚は、０．１μｍ以上で５μｍ以下であることの好適である。

クラッド層の内部、或いはクラッド層に接合させて、構成元素の組成比や格子定数を相違するＧａＮ系化合物半導体層を交互に積層させた周期的重層構造を設けても構わない。結晶基板とのクラッド層との中間に設けた、例えば、Ａｌ_XＧａ_YＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）、とＧａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）とを交互に積層させたヘテロ重層構造体は、結晶基板とのミスフィット（misfit）に因り発生する転位がより上層部へと伝搬するのを抑制する作用を発揮し、結晶性に優れる発光層等の上層をもたらすに効果を奏する。その様な効果は、また、クラッド層全体を、この様な重層構造から構成しても同様の効果が得られる。クラッド層に上記の重層構造を接合させて設けて、その重層構造上に設けた低抵抗のＧａＮ系半導体層は、下方より貫通して来る転位の少ない結晶性に優れた導電層となる。このため、オーミック電極を設けるためのコンタクト（contact）層として重用でき、結晶欠陥の密度の小さい良質なコンタクト層は、転位を介した局所的な耐圧不良（local breakdown）を発生し難いオーミック電極をもたらすに効果的に作用する。重層構造は、ドーピングする不純物量や膜厚を相違するＧａＮ系化合物半導体層を交互に積層させても構成できる。

本発明に係わる発光ダイオードを形成するための積層構造体を構成する各層は、ＭＯＣＶＤ法に加え、例えば、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法、ハイドライド（水素化物）気相エピタキシャル成長（ＶＰＥ）法等の気相成長手段で形成できる。珪素（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）をドーピングした障壁層を形成するには、気相成長時にシラン（分子式：ＳｉＨ₄）やジシラン（分子式：Ｓｉ₂Ｈ₆）、ゲルマン（分子式：ＧｅＨ₄）等をドーピングガスとして利用して添加する。障壁層をＧａＮ層とし、井戸層をＧａ_YＩｎ_ZＮ層とする量子井戸構造を形成するには、６５０℃〜９００℃が適する。この構成からなる量子井戸構造の場合、障壁層と井戸層とは略同一の成長温度で形成できる。障壁層を、ＧａＮに代替して、アルミニウム（Ａｌ）を含むＡｌ_XＧａ_YＮから構成する際には、成長温度を、ＧａＮ障壁層の場合より高温として形成する。

本発明のｐｎ接合型ＧａＮ系発光ダイオードにおいて、ｎ型及びｐ型オーミック電極は、ｎ型またはｐ型クラッド層の表面に直接、接触させて設ける。または、一方のクラッド層の上面及び他方のクラッド層の下面に接合させて設けた、クラッド層と同一の伝導型のコンタクト層に接触させて設ける。本発明では、光の取り出し方向に設けた正（＋）、負（−）何れかの極性のオーミック電極のクラッド層またはコンタクト層上での敷設面積（平面積）を他の極性の電極より大きくする。例えば、電極の接触抵抗或いは電極を設ける半導体層の抵抗がより高いため、素子駆動電流を発光部に広範囲に拡散し難い伝導型の層に設ける電極の敷設面積をより大きくする。ＧａＮ系化合物半導体にあっては、ｎ型層に比較して、ｐ型層の抵抗が一般に大きいため、ｐ型層についてのオーミック電極の敷設面積を、ｎ型層のそれよりも大とするのが通例である。この意味で窒化ガこリウム系の発光素子では光の取り出し方向の電極はｐ型であることが好ましい。

発光層からの発光を外部に取り出す方向に、大きな平面積のオーミック電極を敷設すると、敷設した電極に因り発光が遮光され、発光の取り出し効率に優れる発光ダイオードを得るに至らない。
そこで本発明では、発光も外部視野方向へ取り出せ、且つ、素子駆動電流を発光部へ広く拡散させるために、発光の取り出し方向に設ける電極を、まず、開口部を設けた電極から構成する。例えば、図１に例示する様に、平面形状を角形とする開口部１１を設けた金属膜からオーミック電極１０を構成する。開口部１１には、そのオーミック電極１０を設けたクラッド層なりコンタクト層の表面が露出している。

開口部１１の平面形状は、正方形、長方形、平行四辺形、菱形、正六角形或いは正八角形等の正多角形、切頂型の多角形等の任意に選択できる。要は、発光層からの発光を外部に効率的に取り出せる形状の開口部を、素子駆動電流の拡散を妨げない様な密度で設ければ良い。開口率（敷設した電極の平面積に対する、開口部の合計の平面積の比率で表せる。）が同一であっても、発光を透過する性質の有る材料、または透過するに足る導電性薄膜からオーミック電極を構成することとすると、外部への発光の取り出し効率により優れるｐｎ接合型ＧａＮ系発光ダイオードが得られる。

開口部を有するオーミック電極が、ｎ型（負極）の場合、発光を透過できる例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、及びバナジウム（Ｖ）などの金属薄膜から構成できる。ｐ型オーミック電極（正極）は、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、及びコバルト（Ｃｏ）などの薄膜から構成できる。また他方の電極形成部側の連続膜も上記のｎ型、ｐ型に合わせて上記と同様の材料で構成できる。

発光を外部へ透過性を十分に確保するために、開口部を有する金属等の導電性薄膜の膜厚は１ｎｍ以上で１００ｎｍ以下の範囲とするのが望ましい。１ｎｍ未満の層厚の極薄膜は、発光の透過率に優れるものの、電流を通流する際の抵抗が増加するため、素子駆動電流を拡散させるに十分に作用しない。また、電極形成プロセスに於いて、損傷を被り易くなる不都合を生ずる。このため、透光性電極をなす金属膜或いは合金等の薄膜は、発光層からの発光に対して３０％から８０％の範囲の透過率を与える膜厚を有するのが好ましい。種々の金属等の薄膜を重層させてオーミック電極を形成する場合、重層構造をなす金属等の薄膜の合計の膜厚は、やはり１００ｎｍ以下に止めておくのが好ましい。この様な膜厚の金属等薄膜は、高周波スパッリング法や真空蒸着法などの薄膜形成手段で形成できる。

また、導電性薄膜として透光性の金属酸化物膜を電極の構成要素とすることもできる。これにより発光の透光性をより向上させたｐ型オーミック電極を形成できる。透光性に優れるｐ型オーミック電極を構成するに寄与できる金属酸化物として酸化ニッケル（ＮｉＯ；必ずしも組成比は正確に１：１とは限らない。）や酸化コバルト（ＣｏＯ；必ずしも組成比は正確に１：１とは限らない。）を例示できる。これらの金属酸化物膜は、ＧａＮ系或いは燐化硼素系化合物半導体層の表面に接触させて設けた金（Ａｕ）膜或いは金合金膜の上に積層されて設けられているのが望ましい。これらの金属酸化物は他方の電極形成部側の連続膜にも用いることができる。

また金属膜と金属酸化物膜を含む重層構造の薄膜、連続膜にすることもできる。このような膜は例えば、予め、Ａｕ層と、ＮｉまたはＣｏの層とを、順次、積層させておき、次に、その積層体を、酸素を含む雰囲気中で酸化すれば作製できる。或いはまた、積層順序を逆にして、Ｎｉ膜またはＣｏ膜を先に被着させ、次にＡｕ膜を積層して、酸化処理を及ぼしても、最終的には、コンタクト層側に接触する側をＡｕ層とし、その上層をＮｉまたはＣｏの酸化物層とする透光性電極を形成できる。これは、ＮｉやＣｏ等の遷移金属は、金（Ａｕ）に比較すれば、酸化され易く、且つ拡散し易いことに起因していると思われる。

開口部は、上記の様な金属薄膜等に規則的に、また、密度的に均等に設ける。一定の開口形状が規則的に描画されているフォトマスクを利用して、公知のフォトリソグラフィー技術に依り選択的に、開口部の図形を、フォトレジスト材料に選択的にパターンニングし、選択エッチングを施せば開口部を規則的に配列させたオーミック電極を形成できる。例えば、直径２０μｍの円形のパターンを、４０μｍの周期（ピッチ）で水平（Ｘ軸方向）及び垂直（Ｙ軸方向）の両方向に規則的に描画したフォトマスクを利用して選択パターニングを施せば、直径２０μｍの円形の開口部を、Ｘ−Ｙ方向に各々、４０μｍのピッチで設けた金属薄膜オーミック電極を形成できる。

上記の様な金属等の薄膜から構成したオーミック電極の一部の領域上には、素子駆動電流を供給するための導線を結線するための台座（pad）電極１２を設ける。台座電極は、合計の層厚を０．５μｍ以上で５μｍ以下とする金属材料の厚膜から構成する。金属膜を多層に重層させ、台座電極を構成する場合、表面は、結線を容易になすため、金（Ａｕ）またはその合金膜から構成するのが好ましい。台座電極は、金属薄膜からなるオーミック電極に電気的に接触させて設ける。

台座電極を、金属薄膜等からなるオーミック電極上に設ける位置は、他方の極性のオーミック電極と遠隔な位置とする。例えば、図１に例示する平面視正方形のｐｎ接合型ＧａＮ系ＬＥＤを例にして説明すれば、金属薄膜等からなるオーミック電極１０上に設ける金属厚膜等からなる台座電極１２は、他の極性のオーミック電極兼用台座電極１３と対向する辺（対辺）側の一位置、好ましくはコーナー部に設ける。

この様に電極を配置しても、極性を異にする電極間の短絡的な素子駆動電流の流通を防止する、或いは静電耐圧を向上させるに十分とはならない。例えば、極性を異にする台座電極間の最短距離を結ぶが如くの、短絡的な素子駆動電流の流通を防止するに十分に有効とはならない。
そこで本発明では、他方のオーミック電極１３の側に、開口されていない金属膜等の導電性の連続膜１４を配備する。連続膜１４はオーミック電極１０と同一平面、即ち、オーミック電極１０が形成されている導電層と同じ導電層上で、オーミック電極１０の先端に形成される。

金属等の連続膜をこの様に配置すれば、開口部を有するオーミック電極上に設けた台座電極からの距離、即ち、素子駆動電流の給電点かの距離に拘らず、オーミック電極の内部での電流の集中を避けることができる。
従って、他方の極性の電極と開口部を有する導電性薄膜電極の領域間との電流拡散の不均一さによる短絡的な電流の通流が避けられる。また、局所的な領域での電流の流通が回避できるため、局所的な領域での電極の焼損を防ぐに効果を上げられる。

導電性連続膜の最小の水平幅（横幅）１４ａは、０．５μｍ以上であるのが好適である。電子線リソグラフィー技術を応用すれば、０．５μｍ未満の例えば、０．２５μｍの微細幅の金属連続膜にパターニング加工できるが、この様な微細線は、こと大電流を通流して動作させる、例えば、一辺の長さを０．５ｍｍ以上とする大型ＬＥＤのオーミック電極を構成するには、不適である。通流抵抗が高くなっている上に、例えば、１００ｍＡを超える大電流を通流するために、連続膜が金属膜であっても過度に加熱され、断線する恐れが大きいからである。逆に、水平幅の広い金属連続膜を用いると、発光が遮光される度合いが多くなり、発光の外部への取り出し効率を低下させる。従って、導電性連続膜の幅は、５０μｍ以下とするのが無難である。

また、導電性連続膜を設ける領域の面積は、開口部を有する導電性薄膜からなるオーミック電極が占める平面積（連続膜の部分を含む）の好ましくは同等未満、さらに好ましくは１／２以下とする。金属連続膜の遮光に因る、発光の外部への取り出し効率を徒な減少を避けるためである。金属連続膜を発光層からの発光を透過できる薄膜から構成すると、発光の吸収の低減するに有効となる。膜厚を減じて薄膜とする程、発光の透過率は増すが、電気抵抗は増加する。このため、金属連続膜の温度が上昇する傾向がある。
導電性連続膜の材料としては金属の他、前記した導電性薄膜と同様な金属酸化物等を用いることができる。

導電性連続膜として、耐熱性のある高融点金属類から構成すると、熱的にも安定した導電性連続膜を構成できる。例えば、融点を１０００℃以上とするランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）等から構成できる。特に、高融点である遷移金属或いはその合金から好適に構成できる。またニッケル（Ｎｉ）等の遷移金属の酸化物或いはチタン（Ｔｉ）の窒化物である窒化チタン（ＴｉＮ；組成は必ずしも１：１とは限らない）からは、導電性を有する、耐熱性に優れるばかりでなく、発光を外部へ取り出すのに好都合に作用する透過膜を形成できる。

耐熱性に優れる金属連続膜は、また、白金（Ｐｔ）やロジウム（Ｒｈ）等の白金族元素（「ダフィー 無機化学」、（株）廣川書店、昭和４６年４月１５日発行、５版、２４９頁参照）からなる導電膜からも構成できる。
本発明において、他方の極性のオーミック電極、台座電極（オーミック電極を兼ねる場合もある）は通常の材料、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ、などおよびその合金や積層構造などが用いられる。最表面層は、ボンディング性を良くするため、ＡｕかＡｌとすることが望ましい。

（作用）
光の取り出し方向に開口部を有する一方の極性の導電性薄膜からなるオーミック電極を設け、これに対向する他方の極性のオーミック電極に近接し、かつ前記薄膜に導通させて設けた導電性連続膜は、電流拡散をよくする作用を有する。これによって極性を異にする電極間の短絡的な素子駆動電流の流通を防止し、また静電耐圧を向上させる。

（実施例）
窒化物系化合物半導体からなる青色発光素子を以下のとおり作製した。
サファイア基板上にＡｌＮ層を介してアンドープＧａＮからなる厚さ４μｍの下地層、Ｇｅドープ（濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³）ＧａＮからなる厚さ２μｍのｎ側コンタクト層、Ｓｉドープ（濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる厚さ１２．５ｎｍのｎ側クラッド層、ＧａＮからなる厚さ１６ｎｍの障壁層とＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる厚さ２．５ｎｍの井戸層を交互に５回積層させた後、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層、Ｍｇドープ（濃度１×１０²⁰／ｃｍ³）Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎからなる厚さ２．５ｎｍのｐ側クラッド層およびＭｇドープ（濃度８×１０¹⁹／ｃｍ³）Ａｌ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる厚さ０．１６μｍのｐ側コンタクト層を順次積層して窒化物系化合物半導体積層構造を形成した。

この窒化物系化合物半導体積層構造のｐ側コンタクト層上の所定の位置に公知のフォトリソグラフィー技術およびリフトオフ技術を用いて、図１のパターンの正極を形成した。開口部は、電極形成のパターンの中に織り込んだ。正極は、ｐ側コンタクト層側から順にＰｔおよびＡｕを積層した構造とし、これを導電性薄膜１０及び金属連続膜１４とした。正極を構成する金属連続膜１４は幅１４ａを５０μｍとし、導電性薄膜の電極１０は開口部の幅を６μｍとした。導電性薄膜の電極の開口率は５０％とした。

続いて、反応性イオンエッチング法によって負極を形成する部分のｎ型ＧａＮコンタクト層を露出させ、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上に負極を以下の手順により形成した。レジストを全面に一様に塗布した後、公知リソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去して、通常用いられる真空蒸着法で半導体側から順にＴｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍよりなる負極を形成した。その後レジストを公知の方法で除去した。

続いて、公知のフォトリソグラフィー技術を用い、半導体側からＡｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ層構造よりなる正極ボンディング用パッドを形成した。
然る後、３５０μｍ角の正方形のＬＥＤチップに切断し、リードフレーム上に載置し、金導線をリードフレームに結線して、リードフレームよりＬＥＤチップへ素子駆動電流を流せる様にした。

リードフレームを介して正極１０および負極１３間に順方向に素子駆動電流を流した。順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧は３．５Ｖであった。また、２０ｍＡの順方向電流を流した際の出射される青色帯発光の中心波長は４６０ｎｍであった。また、一般的な積分球を使用して測定される発光の強度は、５ｍＷに達し、高い強度の発光をもたらすIII族窒化物半導体発光素子が得られた。

また、得られた発光素子の静電耐圧測定（ＥＳＤ）をヒュウマンボディモデル（ＨＢモデル）によって行なった結果、面内２０点中２０点全てが２０００Ｖ以上であった。

（比較例）
実施例と同じ積層構造のウエーハを用い、積層の構造は同じとしてｐ層のほぼ全面を均一に覆うようにｐ側電極を形成するようにパターンを変更して素子を作製した。ｎ電極のパターンや積層構造は実施例と同じとした。

得られた発光素子を実施例と同様に評価したところ、順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧は３．５Ｖであった。また、２０ｍＡの順方向電流を流した際の出射される青色帯発光の中心波長は４６０ｎｍであった。また、一般的な積分球を使用して測定される発光の強度は、３ｍＷであり、発光の強度は明らかに実施例よりも弱かった。
更に、静電耐圧測定（ＥＳＤ）においては、２０００Ｖ以上示したのは面内２０点中３点のみであった。

本発明の発光ダイオードはオーミック電極間の短絡的な素子駆動電流の通流が防止され、静電耐圧にも優れているので、各種のディスプレイ、各種のインジケータ類、各種の交通信号機、自動車のウインカ、リアライト類、デイタイムライト等に好適に利用できる。またこの発光ダイオードと蛍光体を組合せて白色光等の照明器具などに用いることが出来る。
またこの発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせて、白色光等の発光ダイオードとして自動車のヘッドランプ、またはスポットライトや天井灯、街灯などの照明器具等に利用できる。

本発明の電極配置を説明するためのＬＥＤの平面模式図である。

符号の説明

１０ 開口部を設けた金属オーミック電極
１１ 開口部
１２ 一方の極性の台座電極
１３ 他方の極性の台座電極
１３ａ 他方のオーミック電極形成部
１４ 金属連続膜
１４ａ 金属連続膜の幅

Claims (16)

1. 第１の伝導型の導電層と、発光層と、第２の伝導型の導電層と、発光層からの発光を外部に取り出す方向に在る一方の極性のオーミック（Ohmic）電極及び一方の台座（ｐａｄ）電極と、それに対向する他方の極性のオーミック電極形成部内に配置された他方の台座電極と、を備えた化合物半導体のｐｎ接合型発光ダイオードに於いて、前記一方の極性のオーミック電極を、開口部を有する導電性薄膜で構成すると共に、該電極の先端部で該電極に導通して、前記他方の極性のオーミック電極形成部側に開口部の無い導電性の連続膜が設けられている、ことを特徴とするｐｎ接合型発光ダイオード。
2. 上記開口部を有する一方のオーミック電極と一方の台座電極が電気的に導通していることを特徴とする請求項１に記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
3. 開口部の無い導電性の連続膜が占める平面積を、開口部を有するオーミック電極が設けられている導電層の平面積未満とした、ことを特徴とする請求項１または２に記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
4. 開口部の無い導電層の連続膜が占める平面積を、開口部を有するオーミック電極が設けられている導電層の平面積の１／２以下とした、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
5. 開口部の無い導電層の連続膜が、開口部を有するオーミック電極と接触させて設けられている、ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
6. 開口部の無い導電層の連続膜が、前記他方の極性のオーミック電極形成部に隣接して、開口部を有するオーミック電極の端部に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
7. 開口部の無い導電層の連続膜が、前記他方の極性のオーミック電極形成部の周囲に配置されている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずらかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
8. 開口部の無い導電層の連続膜が、開口部を有する導電性薄膜とは、異なる金属材料から構成されている、ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
9. 開口部の無い導電層の連続膜が、開口部を有する導電性薄膜を構成する材料よりは、高い融点の金属材料から構成されている、ことを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
10. 開口部の無い導電層の連続膜が、遷移金属または遷移金属の合金から構成されている、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
11. 開口部の無い導電層の連続膜が、白金族金属またはその合金から構成されている、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
12. 開口部の無い導電層の連続膜、及び開口部を有する導電性薄膜の双方が、発光層からの発光を透過できる導電性の材料から構成されている、ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
13. ｐｎ接合型発光ダイオードがIII−Ｖ族化合物系である請求項１〜１２のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
14. ｐｎ接合型発光ダイオードが窒化ガリウム系である請求項１〜１３のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオード。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載のｐｎ接合型発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせた発光ダイオード。
16. 請求項１５に記載の発光ダイオードを用いた照明器具。