JP2011066073A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】例えばフリップチップ実装で用いられる半導体発光素子における光取り出し効率を向上させる。
【解決手段】半導体発光素子１は、サファイアからなる基板１１０と、窒化珪素からなり基板１１０に島状に形成される複数の突起１１５と、基板１１０および複数の突起１１５に積層される中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０とを備える。ｐ型半導体層１６０には銀からなる金属反射層１７２を含む第１電極１７０が形成され、ｎ型半導体層１４０には第２電極１８０が形成される。ｎ型半導体層１４０は、下地層１３０に積層されるｎコンタクト層と、超格子構造を有し、ｎコンタクト層と発光層１５０との間に設けられるｎクラッド層とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】半導体発光素子１は、サファイアからなる基板１１０と、窒化珪素からなり基板１１０に島状に形成される複数の突起１１５と、基板１１０および複数の突起１１５に積層される中間層１２０、下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０とを備える。ｐ型半導体層１６０には銀からなる金属反射層１７２を含む第１電極１７０が形成され、ｎ型半導体層１４０には第２電極１８０が形成される。ｎ型半導体層１４０は、下地層１３０に積層されるｎコンタクト層と、超格子構造を有し、ｎコンタクト層と発光層１５０との間に設けられるｎクラッド層とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体を含む半導体発光素子に関する。
ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、通常、サファイア等の基板上に、発光層を含むＩＩＩ族窒化物半導体層を形成して構成される。ここで、発光層は、導電性をｐ型に制御したｐ型半導体層とｎ型に制御したｎ型半導体層との間に挟み込まれるようになっている。そして、このような半導体発光素子では、配線基板に対して半導体発光素子をフリップチップにて実装することで、発光層から出力される光を、基板を介して外部に出射するようにしたものが知られている。
公報記載の従来技術として、ＩＩＩ族窒化物半導体層の基板との接触面と反対側となる面側に、銀等からなる金属製の反射膜を形成することで、発光層から基板とは反対側に出力される光を、基板側に向けて反射するようにし、且つ、この金属製の反射膜を介して給電を行うようにしたものが存在する（特許文献１参照）。
ところで、上述した半導体発光素子では、金属製の反射膜を介して一方の導電型の半導体層（例えばｐ型半導体層）に給電を行うようになっているため、発光層における発光むらを抑制するために、発光層よりも基板側に設けられる他方の導電型の半導体層（例えばｎ型半導体層）のシート抵抗値を低減させることが要求される。このような要求を満足させるために、例えば他方の導電型の半導体層の厚みを増加させたり、あるいは、他方の導電型の半導体層に含まれる不純物（例えばｎ型の不純物）の濃度を増加させたりすることが考えられる。
しかしながら、他方の導電型の半導体層の厚みを増加させたり、あるいは、他方の導電型の半導体層に含まれる不純物の濃度を増加させたりした場合には、他方の導電型の半導体層の結晶性の低下を招く懸念がある。また、他方の導電型の半導体層の結晶性が低下すると、この他方の導電型の半導体層の上に積層される発光層の結晶性が低下し、結果として発光層から出力される光量が低下するおそれもある。
さらに、上述した半導体発光素子をフリップチップにて実装して使用する場合、基板とＩＩＩ族半導体層との界面において、両者の屈折率の相違に起因して反射が生じる。そして、界面における反射が大きい場合には、基板から取り出される光量の低下を招くおそれがある。
本発明は、例えばフリップチップ実装で用いられる半導体発光素子における光取り出し効率を向上させることを目的とする。
本発明が適用される半導体発光素子は、基板と、基板の一方の面に形成される複数の突起と、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、基板の複数の突起の形成面側に積層される中間層と、第１の導電型を有するＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、中間層に積層される第１の半導体層と、ＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、第１の半導体層に積層され、通電により発光する発光層と、第１の導電型とは異なる第２の導電型を有するＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、発光層に積層される第２の半導体層と、銀または銀を含む合金で構成され、第２の半導体層に積層され、第２の半導体層を介して発光層に給電を行うとともに発光層から出射される光を反射する金属層とを含み、基板は、発光層から出射される光に対する光透過性を有し、複数の突起は、発光層から出射される光に対する光透過性を有するとともに、中間層よりも低く且つ基板よりも高い屈折率を有する材料で構成され、第１の半導体層は、発光層と接する側に超格子構造を有することを特徴としている。
このような半導体発光素子において、基板はサファイアで構成され、複数の突起は窒化珪素、酸化チタンまたは酸化インジウム錫で構成されることを特徴とすることができる。
また、発光層から出射される光に対する光透過性および導電性を有する金属酸化物で構成され、第２の半導体層と金属層との間に形成される透明導電層と、導電性を有する金属酸化物で構成され、金属層に積層されて外部との電気的な接続に用いられる接続層とをさらに含むことを特徴とすることができる。
また、発光層から出射される光に対する光透過性および導電性を有する金属酸化物で構成され、第２の半導体層と金属層との間に形成される透明導電層と、導電性を有する金属酸化物で構成され、金属層に積層されて外部との電気的な接続に用いられる接続層とをさらに含むことを特徴とすることができる。
本発明によれば、例えばフリップチップ実装で用いられる半導体発光素子における光取り出し効率を向上させることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本実施の形態が適用される半導体発光素子（発光ダイオード）１の断面模式図の一例を示しており、図２は図１に示す半導体発光素子１を図１に示すＩＩ方向からみた平面模式図の一例を示しており、図３は半導体発光素子１を構成する積層半導体層１００の断面模式図の一例を示しており、図４は半導体発光素子１を構成する基板１１０を図１に示すＩＩ方向からみた平面模式図の一例を示している。
図１は本実施の形態が適用される半導体発光素子（発光ダイオード）１の断面模式図の一例を示しており、図２は図１に示す半導体発光素子１を図１に示すＩＩ方向からみた平面模式図の一例を示しており、図３は半導体発光素子１を構成する積層半導体層１００の断面模式図の一例を示しており、図４は半導体発光素子１を構成する基板１１０を図１に示すＩＩ方向からみた平面模式図の一例を示している。
（半導体発光素子）
図１に示すように、半導体発光素子１は、基板１１０と、基板１１０上に形成される複数の突起１１５と、基板１１０および複数の突起１１５上に積層される中間層１２０と、中間層１２０上に積層される下地層１３０とを備える。また、半導体発光素子１は、下地層１３０上に積層されるｎ型半導体層１４０と、ｎ型半導体層１４０上に積層される発光層１５０と、発光層１５０上に積層されるｐ型半導体層１６０とを備える。なお、以下の説明においては、必要に応じて、これらｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０を、まとめて積層半導体層１００と呼ぶ。また、積層半導体層１００に、中間層１２０および下地層１３０を含めることもある。
図１に示すように、半導体発光素子１は、基板１１０と、基板１１０上に形成される複数の突起１１５と、基板１１０および複数の突起１１５上に積層される中間層１２０と、中間層１２０上に積層される下地層１３０とを備える。また、半導体発光素子１は、下地層１３０上に積層されるｎ型半導体層１４０と、ｎ型半導体層１４０上に積層される発光層１５０と、発光層１５０上に積層されるｐ型半導体層１６０とを備える。なお、以下の説明においては、必要に応じて、これらｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０を、まとめて積層半導体層１００と呼ぶ。また、積層半導体層１００に、中間層１２０および下地層１３０を含めることもある。
さらに、半導体発光素子１は、ｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに形成される第１電極１７０と、積層されたｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部を切り欠くことによって露出したｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃに形成される第２電極１８０とを備える。ここで、半導体層露出面１４０ｃは、ｎ型半導体層１４０の周縁を、一周にわたって露出させるように形成されている。その結果、この半導体発光素子１では、基板１１０、中間層１２０、下地層１３０およびｎ型半導体層１４０の一部（半導体層露出面１４０ｃよりも下地層１３０側）の側壁面に対し、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部（半導体層露出面１４０ｃよりも発光層１５０側）の側壁面が、より内側に位置するようになっている。
さらにまた、半導体発光素子１は、第１電極１７０および第２電極１８０と、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部（半導体層露出面１４０ｃよりも発光層１５０側）とに積層される保護層１９０をさらに備える。ただし、保護層１９０は、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部（半導体層露出面１４０ｃよりも発光層１５０側）の側壁面の全域を覆うように形成される一方、第１電極１７０および第２電極１８０のそれぞれに対しては、図１において上方側となる面の一部を露出させるように形成されている。
このように、本実施の形態の半導体発光素子１は、基板１１０とは反対側となる一方の面（基板１１０上において突起１１５が形成される面）側に第１電極１７０および第２電極１８０が形成された構造を有している。
このように、本実施の形態の半導体発光素子１は、基板１１０とは反対側となる一方の面（基板１１０上において突起１１５が形成される面）側に第１電極１７０および第２電極１８０が形成された構造を有している。
なお、図２では、保護層１９０の背面側に存在する第１電極１７０および第２電極１８０を、破線で囲って示している。また、図２には、第１電極１７０のうち保護層１９０によって覆われずに外部に露出する第１ボンディング層１７４（詳細は後述する）、および、第２電極１８０のうち保護層１９０によって覆われずに外部に露出する第２ボンディング層１８３（詳細は後述する）も示している。
この半導体発光素子１においては、第１電極１７０を正極、第２電極１８０を負極とし、両者を介して積層半導体層１００（より具体的にはｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０）に電流を流すことで、発光層１５０が発光するようになっている。
では次に、半導体発光素子１の各構成要素について、より詳細に説明する。
＜基板＞
基板１１０としては、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板であれば、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。ただし、本実施の形態の半導体発光素子１は、後述するように、基板１１０側から光を取り出すようにフリップチップ実装されることから、発光層１５０から出射される光に対する光透過性を有していることが好ましい。したがって、例えば、サファイア、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウムアルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン等からなる基板１１０を用いることができる。
また、上記材料の中でも、特に、Ｃ面を主面とするサファイアを基板１１０として用いることが好ましい。サファイアを基板１１０として用いる場合は、サファイアのＣ面上に中間層１２０（バッファ層）を形成するとよい。
さらに、基板１１０のうち、積層半導体層１００が形成されない側の面については、基板１１０の反りを抑制するために、面を荒らす処理を施しておくことが好ましい。
＜基板＞
基板１１０としては、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板であれば、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。ただし、本実施の形態の半導体発光素子１は、後述するように、基板１１０側から光を取り出すようにフリップチップ実装されることから、発光層１５０から出射される光に対する光透過性を有していることが好ましい。したがって、例えば、サファイア、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウムアルミニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン等からなる基板１１０を用いることができる。
また、上記材料の中でも、特に、Ｃ面を主面とするサファイアを基板１１０として用いることが好ましい。サファイアを基板１１０として用いる場合は、サファイアのＣ面上に中間層１２０（バッファ層）を形成するとよい。
さらに、基板１１０のうち、積層半導体層１００が形成されない側の面については、基板１１０の反りを抑制するために、面を荒らす処理を施しておくことが好ましい。
＜柱状突起＞
複数の突起１１５は、それぞれ、台形状の縦断面（図１参照）および円形状の横断面（図４参照）を有しており、基板１１０の一方の面側に、マトリクス状に形成されている。また、複数の突起１１５は、それぞれ半球状の凸部構造を設けることで構成することができる。本実施の形態では、各突起１１５が、それぞれ、均一な大きさおよび形状となるように形成されている。ここで、各突起１１５の径は５０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲より選択することが望ましく、また、各突起１１５の高さは５０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲より選択することが望ましい。さらに、隣接する突起１１５同士の間隔（ピッチ）については、２５ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲より選択することが好ましい。
複数の突起１１５は、それぞれ、台形状の縦断面（図１参照）および円形状の横断面（図４参照）を有しており、基板１１０の一方の面側に、マトリクス状に形成されている。また、複数の突起１１５は、それぞれ半球状の凸部構造を設けることで構成することができる。本実施の形態では、各突起１１５が、それぞれ、均一な大きさおよび形状となるように形成されている。ここで、各突起１１５の径は５０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲より選択することが望ましく、また、各突起１１５の高さは５０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲より選択することが望ましい。さらに、隣接する突起１１５同士の間隔（ピッチ）については、２５ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲より選択することが好ましい。
また、複数の突起１１５は、発光層１５０から出射される光に対する光透過性を有し、基板１１０に接触配置される半導体層（この例では中間層１２０）よりも発光層１５０の発光波長における屈折率が低く、且つ、基板１１０よりも発光層１５０の発光波長における屈折率が高い材料で構成することが好ましい。ここで、基板１１０としてサファイアを用い、且つ、後述するように中間層１２０としてＩＩＩ属窒化物半導体を用いる場合は、複数の突起１１５を、例えばＳｉ3Ｎ4、ＴｉＯ2、ＩＴＯ（酸化インジウム錫（Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2））等で構成することができる。また、上記材料の中でも、特にＳｉ3Ｎ4を用いることが好ましい。
そして、複数の突起１１５は、例えば基板１１０の一方の面に均一に成膜を行った後に公知のエッチング（ウェットエッチング、ドライエッチング）を施すことによって形成するようにしてもよいし、また、例えば基板１１０の一方の面にナノインプリント等の手法を用いて直接形成するようにしてもよい。
なお、この例において、複数の突起１１５は、基板１１０の一方の面にマトリクス状に配列されているが、複数の突起１１５の配列手法については、例えば千鳥状など適宜設計変更して差し支えない。また、各突起１１５の形状についても、例えば多角形状など適宜設計変更して差し支えなく、また、点状ではなく畝状のものであってもよい。
なお、この例において、複数の突起１１５は、基板１１０の一方の面にマトリクス状に配列されているが、複数の突起１１５の配列手法については、例えば千鳥状など適宜設計変更して差し支えない。また、各突起１１５の形状についても、例えば多角形状など適宜設計変更して差し支えなく、また、点状ではなく畝状のものであってもよい。
＜積層半導体層＞
ＩＩＩ族窒化物半導体層の一例としての積層半導体層１００は、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる層であって、図１に示すように、基板１１０上に、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０の各層が、この順で積層されて構成されている。
また、図３に示すように、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０の各層は、それぞれ、複数の半導体層から構成してもよい。ここで、ｎ型半導体層１４０は、電子をキャリアとする第１の導電型にて電気伝導を行うものであり、ｐ型半導体層１６０は、正孔をキャリアとする第２の導電型にて電気伝導を行うものである。
なお、積層半導体層１００は、ＭＯＣＶＤ法で形成すると結晶性の良いものが得られるが、スパッタ法によっても条件を最適化することで、ＭＯＣＶＤ法よりも優れた結晶性を有する半導体層を形成できる。以下、順次説明する。
ＩＩＩ族窒化物半導体層の一例としての積層半導体層１００は、例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる層であって、図１に示すように、基板１１０上に、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０の各層が、この順で積層されて構成されている。
また、図３に示すように、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０及びｐ型半導体層１６０の各層は、それぞれ、複数の半導体層から構成してもよい。ここで、ｎ型半導体層１４０は、電子をキャリアとする第１の導電型にて電気伝導を行うものであり、ｐ型半導体層１６０は、正孔をキャリアとする第２の導電型にて電気伝導を行うものである。
なお、積層半導体層１００は、ＭＯＣＶＤ法で形成すると結晶性の良いものが得られるが、スパッタ法によっても条件を最適化することで、ＭＯＣＶＤ法よりも優れた結晶性を有する半導体層を形成できる。以下、順次説明する。
＜中間層＞
中間層１２０は、多結晶のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）のものがより好ましい。
中間層１２０は、上述のように、例えば、多結晶のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。中間層１２０の厚みが０．０１μｍ未満であると、中間層１２０により基板１１０と下地層１３０との格子定数の違いを緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、中間層１２０の厚みが０．５μｍを超えると、中間層１２０としての機能には変化が無いのにも関わらず、中間層１２０の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下するおそれがある。
中間層１２０は、多結晶のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）のものがより好ましい。
中間層１２０は、上述のように、例えば、多結晶のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。中間層１２０の厚みが０．０１μｍ未満であると、中間層１２０により基板１１０と下地層１３０との格子定数の違いを緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、中間層１２０の厚みが０．５μｍを超えると、中間層１２０としての機能には変化が無いのにも関わらず、中間層１２０の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下するおそれがある。
中間層１２０は、基板１１０と下地層１３０との格子定数の違いを緩和し、特にＣ面を主面とするサファイアで基板１１０を構成した場合には、基板１１０の（０００１）面（Ｃ面）上にｃ軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、中間層１２０の上に単結晶の下地層１３０を積層すると、より一層結晶性の良い下地層１３０が積層できる。なお、本発明においては、中間層１２０の形成を行うことが好ましいが、必ずしも行わなくても良い。
また、中間層１２０は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる六方晶系の結晶構造を持つものであってもよい。また、中間層１２０をなすＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、単結晶構造を有するものであってもよく、単結晶構造を有するものが好ましく用いられる。ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成長条件を制御することにより、上方向だけでなく、面内方向にも成長して単結晶構造を形成する。このため、中間層１２０の成膜条件を制御することにより、単結晶構造のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなる中間層１２０とすることができる。このような単結晶構造を有する中間層１２０を基板１１０上に成膜した場合、中間層１２０のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたＩＩＩ族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
特に、本実施の形態では、複数の突起１１５が形成された基板１１０の上に中間層１２０の形成を行っていることから、中間層１２０の結晶は基板１１０の露出部位から成長を始め、その後各突起１１５を覆うように結晶が成長するようになっている。これにより、中間層１２０における転位を低減することができ、結果として中間層１２０の単結晶性を良好なものとすることができる。また、中間層１２０の結晶性が良好なものとなるのに伴い、中間層１２０の上に積層される下地層１３０、ｎ型半導体層１４０、発光層１５０およびｐ型半導体層１６０の結晶性を向上させることが可能になる。
また、中間層１２０をなすＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶（多結晶）とすることも可能である。なお、ここでの集合組織からなる柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
＜下地層＞
下地層１３０としては、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を用いることができるが、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層１３０を形成できるため好ましい。
下地層１３０の膜厚は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌxＧａ1-xＮ層が得られやすい。ただし、本実施の形態では、基板１１０上に形成された複数の突起１１５をすべて下地層１３０で覆い、且つ、下地層１３０の上面側を平坦化できる程度の膜厚であることが必要となる。
下地層１３０の結晶性を良くするためには、下地層１３０は不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することができる。
下地層１３０としては、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を用いることができるが、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層１３０を形成できるため好ましい。
下地層１３０の膜厚は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌxＧａ1-xＮ層が得られやすい。ただし、本実施の形態では、基板１１０上に形成された複数の突起１１５をすべて下地層１３０で覆い、且つ、下地層１３０の上面側を平坦化できる程度の膜厚であることが必要となる。
下地層１３０の結晶性を良くするためには、下地層１３０は不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することができる。
＜ｎ型半導体層＞
図３に示すように、例えば電子をキャリアとする第１の導電型（ｎ型）を有する第１の半導体層の一例としてのｎ型半導体層１４０は、ｎコンタクト層１４０ａとｎクラッド層１４０ｂとを備えている。なお、前述の下地層１３０をｎ型半導体層１４０に含めてもよい。
ｎコンタクト層１４０ａは、第２電極１８０を設けるための層である。ｎコンタクト層１４０ａとしては、ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。
図３に示すように、例えば電子をキャリアとする第１の導電型（ｎ型）を有する第１の半導体層の一例としてのｎ型半導体層１４０は、ｎコンタクト層１４０ａとｎクラッド層１４０ｂとを備えている。なお、前述の下地層１３０をｎ型半導体層１４０に含めてもよい。
ｎコンタクト層１４０ａは、第２電極１８０を設けるための層である。ｎコンタクト層１４０ａとしては、ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。
また、ｎコンタクト層１４０ａにはｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０17〜１×１０20／ｃｍ3、好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3の濃度で含有すると、第２電極１８０との良好なオーミック接触を維持できる点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅが挙げられる。
ｎコンタクト層１４０ａの膜厚は、０．５〜５μｍとされることが好ましく、１〜３μｍの範囲に設定することがより好ましい。ｎコンタクト層１４０ａの膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
ｎクラッド層１４０ｂは、発光層１５０へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めとを行なう層であり、本実施の形態では、超格子構造を含む層として構成されている。
より具体的に説明すると、ｎクラッド層１４０ｂは、ＩＩＩ族窒化物半導体からなり、１００Å（１０ｎｍ）以下の膜厚を有するｎ側第１層１４１と、このｎ側第１層１４１とは組成が異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなり、１００Å（１０ｎｍ）以下の膜厚を有するｎ側第２層１４２とが交互に積層された構造を有している。そして、ｎクラッド層１４０ｂは、２つのｎ側第１層１４１で１つのｎ側第２層１４２を挟み込む構造を有しており、ｎコンタクト層１４０ａと接する側および発光層１５０と接する側は、それぞれ、ｎ側第１層１４１となっている。
より具体的に説明すると、ｎクラッド層１４０ｂは、ＩＩＩ族窒化物半導体からなり、１００Å（１０ｎｍ）以下の膜厚を有するｎ側第１層１４１と、このｎ側第１層１４１とは組成が異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなり、１００Å（１０ｎｍ）以下の膜厚を有するｎ側第２層１４２とが交互に積層された構造を有している。そして、ｎクラッド層１４０ｂは、２つのｎ側第１層１４１で１つのｎ側第２層１４２を挟み込む構造を有しており、ｎコンタクト層１４０ａと接する側および発光層１５０と接する側は、それぞれ、ｎ側第１層１４１となっている。
また、本実施の形態では、ｎ側第１層１４１をＧａＩｎＮで、ｎ側第２層１４２をＧａＮで、それぞれ構成している。ここで、ＧａＩｎＮを含んでｎクラッド層１４０ｂを形成する場合には、ｎ側第１層１４１を構成するＧａＩｎＮを発光層１５０のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きいものとすることが望ましい。ここで、ＧａＩｎＮ層のＩｎ組成は、０．５〜３％の範囲が望ましい。また、上述した構成に代えて、ｎ側第１層１４１をＡｌＧａＮで、ｎ側第２層１４２をＧａＮで、それぞれ構成するようにしてもよい。
なお、本明細書中には、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮについて、各元素の組成比を省略した形で記述する場合がある。
なお、本明細書中には、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮについて、各元素の組成比を省略した形で記述する場合がある。
ｎクラッド層１４０ｂの全体の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍであり、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍである。ｎクラッド層１４０ｂのｎ型不純物濃度は１．５×１０17〜１．５×１０20／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１．５×１０18〜１．５×１０19／ｃｍ3である。ｎ型不純物濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
＜発光層＞
ｎ型半導体層１４０の上に積層される発光層１５０としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などを採用することが可能である。本実施の形態では、図３に示すように、発光層１５０を、障壁層１５０ａと井戸層１５０ｂとが交互に積層されてなる多重量子井戸構造で構成している。そして、発光層１５０は、ｎクラッド層１４０ｂと接する側およびｐクラッド層１６０ａと接する側は、それぞれ障壁層１５０ａとなっている。
ｎ型半導体層１４０の上に積層される発光層１５０としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などを採用することが可能である。本実施の形態では、図３に示すように、発光層１５０を、障壁層１５０ａと井戸層１５０ｂとが交互に積層されてなる多重量子井戸構造で構成している。そして、発光層１５０は、ｎクラッド層１４０ｂと接する側およびｐクラッド層１６０ａと接する側は、それぞれ障壁層１５０ａとなっている。
ここで、井戸層１５０ｂとしては、Ｇａ1-yＩｎyＮ（０＜ｙ＜０．４）からなるＩＩＩ族窒化物半導体層が通常用いられる。井戸層１５０ｂの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば１〜１０ｎｍとすることができ、好ましくは２〜６ｎｍとすると発光出力の点で好ましい。
また、障壁層１５０ａとしては、井戸層１５０ｂよりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ＜０．３）を障壁層１５０ａが用いられる。井戸層１５０ｂおよび障壁層１５０ａには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
なお、本実施の形態では、発光層１５０が、青色光（発光波長λ＝４００ｎｍ〜４６５ｎｍ程度）を出力するようになっている。
また、障壁層１５０ａとしては、井戸層１５０ｂよりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ＜０．３）を障壁層１５０ａが用いられる。井戸層１５０ｂおよび障壁層１５０ａには、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
なお、本実施の形態では、発光層１５０が、青色光（発光波長λ＝４００ｎｍ〜４６５ｎｍ程度）を出力するようになっている。
＜ｐ型半導体層＞
図３に示すように、例えば正孔をキャリアとする第２の導電型（ｐ型）を有する第２の半導体層の一例としてのｐ型半導体層１６０は、通常、ｐクラッド層１６０ａおよびｐコンタクト層１６０ｂから構成される。ただし、ｐコンタクト層１６０ｂがｐクラッド層１６０ａを兼ねることも可能である。
図３に示すように、例えば正孔をキャリアとする第２の導電型（ｐ型）を有する第２の半導体層の一例としてのｐ型半導体層１６０は、通常、ｐクラッド層１６０ａおよびｐコンタクト層１６０ｂから構成される。ただし、ｐコンタクト層１６０ｂがｐクラッド層１６０ａを兼ねることも可能である。
ｐクラッド層１６０ａは、発光層１５０へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入とを行なう層である。ｐクラッド層１６０ａとしては、発光層１５０のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１５０へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．４）のものが挙げられる。
ｐクラッド層１６０ａが、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層１５０へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層１６０ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。
ｐクラッド層１６０ａにおけるｐ型不純物の濃度は、１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3である。ｐ型不純物濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
また、ｐクラッド層１６０ａは、上述したｎクラッド層１４０ｂと同様に超格子構造としてもよく、この場合には、組成比が異なるＡｌＧａＮと他のＡｌＧａＮとの交互構造または組成が異なるＡｌＧａＮとＧａＮとの交互構造であることが好ましい。
ｐクラッド層１６０ａにおけるｐ型不純物の濃度は、１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3である。ｐ型不純物濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
また、ｐクラッド層１６０ａは、上述したｎクラッド層１４０ｂと同様に超格子構造としてもよく、この場合には、組成比が異なるＡｌＧａＮと他のＡｌＧａＮとの交互構造または組成が異なるＡｌＧａＮとＧａＮとの交互構造であることが好ましい。
ｐコンタクト層１６０ｂは、第１電極１７０を設けるための層である。ｐコンタクト層１６０ｂは、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．４）であることが好ましい。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持および第１電極１７０との良好なオーミック接触の維持が可能となる点で好ましい。
ｐ型不純物を１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3の濃度、好ましくは５×１０19〜５×１０20／ｃｍ3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。
ｐコンタクト層１６０ｂの膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。ｐコンタクト層１６０ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
ｐ型不純物を１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3の濃度、好ましくは５×１０19〜５×１０20／ｃｍ3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。
ｐコンタクト層１６０ｂの膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。ｐコンタクト層１６０ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
＜第１電極＞
次に、第１電極１７０の構成について詳細に説明する。
第１電極１７０は、好ましくは、ｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃ上に積層される第１導電層１７１と、この第１導電層１７１上に積層される金属反射層１７２と、この上に積層される第１ボンディング層１７４と、上述した第１ボンディング層１７４の露出部位を除いて第１ボンディング層１７４を覆うように設けられ、第１ボンディング層１７４と反対側の面には保護層１９０が積層される第１密着層１７５とを有している。
なお、金属反射層１７２と第１ボンディング層１７４との間に第１拡散防止層１７３を設けるようにしてもよい。ここで、図１および図３には、好ましい例として第１拡散防止層１７３を設けた場合を例示している。
次に、第１電極１７０の構成について詳細に説明する。
第１電極１７０は、好ましくは、ｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃ上に積層される第１導電層１７１と、この第１導電層１７１上に積層される金属反射層１７２と、この上に積層される第１ボンディング層１７４と、上述した第１ボンディング層１７４の露出部位を除いて第１ボンディング層１７４を覆うように設けられ、第１ボンディング層１７４と反対側の面には保護層１９０が積層される第１密着層１７５とを有している。
なお、金属反射層１７２と第１ボンディング層１７４との間に第１拡散防止層１７３を設けるようにしてもよい。ここで、図１および図３には、好ましい例として第１拡散防止層１７３を設けた場合を例示している。
＜第１導電層＞
図１に示すように、ｐ型半導体層１６０の上には第１導電層１７１が積層されているのが好ましい。
図２に示すように平面視したときに、第１導電層１７１（図１参照）は、第２電極１８０を形成するために、エッチング等の手段によって一部が除去されたｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃの周縁部を除くほぼ全面を覆うように形成されている。そして、第１導電層１７１の中央部は一定の膜厚を有し上面１６０ｃに対しほぼ平坦に形成される一方、第１導電層１７１の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。ただし、第１導電層１７１は、このような形状に限定されるわけでなく、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよく、また、矩形状の断面を有していてもよい。なお、図２において、第１導電層１７１は、第１ボンディング層１７４の背面側に形成されているため、その背後に隠れている。
図１に示すように、ｐ型半導体層１６０の上には第１導電層１７１が積層されているのが好ましい。
図２に示すように平面視したときに、第１導電層１７１（図１参照）は、第２電極１８０を形成するために、エッチング等の手段によって一部が除去されたｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃの周縁部を除くほぼ全面を覆うように形成されている。そして、第１導電層１７１の中央部は一定の膜厚を有し上面１６０ｃに対しほぼ平坦に形成される一方、第１導電層１７１の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。ただし、第１導電層１７１は、このような形状に限定されるわけでなく、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよく、また、矩形状の断面を有していてもよい。なお、図２において、第１導電層１７１は、第１ボンディング層１７４の背面側に形成されているため、その背後に隠れている。
透明導電層の一例としての第１導電層１７１は、ｐ型半導体層１６０とオーミックコンタクトがとれ、しかもｐ型半導体層１６０との接触抵抗が小さいものを用いることが好ましい。また、この半導体発光素子１では、発光層１５０からの光を、金属反射層１７２を介して基板１１０側に取り出すことから、第１導電層１７１は光透過性に優れたものを用いることが好ましい。さらにまた、ｐ型半導体層１６０の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、第１導電層１７１は優れた導電性を有し、且つ、抵抗分布が少ないものを用いることが好ましい。また、本実施の形態では、第１導電層１７１の厚さが５ｎｍ（５０Å）に設定されている。なお、第１導電層１７１の厚さは２ｎｍ〜５００ｎｍの範囲より選択することができる。ここで、第１導電層１７１の厚さが２ｎｍよりも薄いと、ｐ型半導体層１６０とオーミックコンタクトが取れにくい場合があり、また、第１導電層１７１の厚さが５００ｎｍよりも厚いと、発光層１５０からの発光及び金属反射層１７２からの反射光の光透過性の点で好ましくない場合がある。
第１導電層１７１の一例としては透明導電層が挙げられる。例えば、本実施の形態では、第１導電層１７１として、酸化物の導電性材料であって、発光層１５０から出射される波長の光に対する光透過性のよいものが用いられる。特に、Ｉｎを含む酸化物の一部は、他の透明導電膜と比較して光透過性および導電性の両者がともに優れている点で好ましい。Ｉｎを含む導電性の酸化物としては、例えばＩＴＯ（酸化インジウム錫（Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2））、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ2Ｏ3−ＺｎＯ））、ＩＧＯ（酸化インジウムガリウム（Ｉｎ2Ｏ3−Ｇａ2Ｏ3））、ＩＣＯ（酸化インジウムセリウム（Ｉｎ2Ｏ3−ＣｅＯ2））等が挙げられる。なお、これらの中に、例えばフッ素などのドーパントが添加されていてもかまわない。また、例えばＩｎを含まない酸化物、例えばキャリアをドープしたＳｎＯ2、ＺｎＯ2、ＴｉＯ2等の導電性材料を用いてもよい。
これらの材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることによって、第１導電層１７１を形成できる。また、第１導電層１７１を形成した後に、第１導電層１７１の透明化と更なる低抵抗化とを目的とした熱アニールを施す場合もある。
これらの材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることによって、第１導電層１７１を形成できる。また、第１導電層１７１を形成した後に、第１導電層１７１の透明化と更なる低抵抗化とを目的とした熱アニールを施す場合もある。
本実施の形態において、第１導電層１７１は、結晶化された構造のものを使用してよく、特に六方晶構造又はビックスバイト構造を有するＩｎ2Ｏ3結晶を含む透光性材料（例えば、ＩＴＯやＩＺＯ等）を好ましく使用することができる。
例えば、六方晶構造のＩｎ2Ｏ3結晶を含むＩＺＯを第１導電層１７１として使用する場合、エッチング性に優れたアモルファスのＩＺＯ膜を用いて特定形状に加工することができ、さらにその後、熱処理等によりアモルファス状態から結晶を含む構造に転移させることで、アモルファスのＩＺＯ膜よりも透光性の優れた電極に加工することができる。
例えば、六方晶構造のＩｎ2Ｏ3結晶を含むＩＺＯを第１導電層１７１として使用する場合、エッチング性に優れたアモルファスのＩＺＯ膜を用いて特定形状に加工することができ、さらにその後、熱処理等によりアモルファス状態から結晶を含む構造に転移させることで、アモルファスのＩＺＯ膜よりも透光性の優れた電極に加工することができる。
また、第１導電層１７１に用いるＩＺＯ膜としては、比抵抗が最も低くなる組成を使用することが好ましい。
例えば、ＩＺＯ中のＺｎＯ濃度は１〜２０質量％であることが好ましく、５〜１５質量％の範囲であることが更に好ましく、１０質量％であると特に好ましい。
例えば、ＩＺＯ中のＺｎＯ濃度は１〜２０質量％であることが好ましく、５〜１５質量％の範囲であることが更に好ましく、１０質量％であると特に好ましい。
第１導電層１７１に用いるＩＺＯ膜の熱処理は、Ｏ2を含まない雰囲気で行なうことが望ましく、Ｏ2を含まない雰囲気としては、Ｎ2雰囲気などの不活性ガス雰囲気や、またはＮ2などの不活性ガスとＨ2との混合ガス雰囲気などを挙げることができ、Ｎ2雰囲気、またはＮ2とＨ2との混合ガス雰囲気とすることが望ましい。なお、ＩＺＯ膜の熱処理をＮ2雰囲気、またはＮ2とＨ2との混合ガス雰囲気中で行なうと、例えば、ＩＺＯ膜を六方晶構造のＩｎ2Ｏ3結晶を含む膜に結晶化させるとともに、ＩＺＯ膜のシート抵抗を効果的に減少させることが可能である。
また、ＩＺＯ膜の熱処理温度は、５００℃〜１０００℃が好ましい。５００℃未満の温度で熱処理を行なった場合、ＩＺＯ膜を十分に結晶化できない恐れが生じ、ＩＺＯ膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。１０００℃を超える温度で熱処理を行なった場合には、ＩＺＯ膜は結晶化されているが、ＩＺＯ膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。また、１０００℃を超える温度で熱処理を行なった場合、ＩＺＯ膜の下にある半導体層を劣化させる恐れもある。
また、ＩＺＯ膜の熱処理温度は、５００℃〜１０００℃が好ましい。５００℃未満の温度で熱処理を行なった場合、ＩＺＯ膜を十分に結晶化できない恐れが生じ、ＩＺＯ膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。１０００℃を超える温度で熱処理を行なった場合には、ＩＺＯ膜は結晶化されているが、ＩＺＯ膜の光透過率が十分に高いものとならない場合がある。また、１０００℃を超える温度で熱処理を行なった場合、ＩＺＯ膜の下にある半導体層を劣化させる恐れもある。
特に、前述のように、熱処理によって結晶化したＩＺＯ膜は、アモルファス状態のＩＺＯ膜に比べて、ｐ型半導体層１６０との密着性が良いため、本発明の実施形態において大変有効である。また、熱処理によって結晶化したＩＺＯ膜は、アモルファス状態のＩＺＯ膜に比べて、抵抗値が低下することから、半導体発光素子１を構成した際に、順方向電圧ＶFを低減できる点でも好ましい。
＜金属反射層＞
図１に示すように、第１導電層１７１の上には金属反射層１７２が積層されている。
図２に示すように平面視したときに、金属反射層１７２（図１参照）は、第１導電層１７１の全域を覆うように形成されている。そして、金属反射層１７２の中央部は一定の膜厚を有しほぼ平坦に形成される一方、金属反射層１７２の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。また、金属反射層１７２は、第１導電層１７１上に形成され、ｐ型半導体層１６０上には形成されないようになっている。すなわち、ｐ型半導体層１６０と金属反射層１７２とが直接接触しないように構成されている。なお、図２において、金属反射層１７２は、上述した第１導電層１７１と同様、第１ボンディング層１７４の背面側に形成されているため、その背後に隠れている。
図１に示すように、第１導電層１７１の上には金属反射層１７２が積層されている。
図２に示すように平面視したときに、金属反射層１７２（図１参照）は、第１導電層１７１の全域を覆うように形成されている。そして、金属反射層１７２の中央部は一定の膜厚を有しほぼ平坦に形成される一方、金属反射層１７２の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。また、金属反射層１７２は、第１導電層１７１上に形成され、ｐ型半導体層１６０上には形成されないようになっている。すなわち、ｐ型半導体層１６０と金属反射層１７２とが直接接触しないように構成されている。なお、図２において、金属反射層１７２は、上述した第１導電層１７１と同様、第１ボンディング層１７４の背面側に形成されているため、その背後に隠れている。
金属層の一例としての金属反射層１７２はＡｇ（銀）で構成されている。金属反射層１７２として銀を用いているのは、発光層１５０から出射される青色〜緑色の領域の波長の光に対して、高い光反射性を有しているためである。また、後述するように、金属反射層１７２は、第１導電層１７１を介してｐ型半導体層１６０に給電を行う機能も有していることから、その抵抗値が低く、しかも第１導電層１７１との接触抵抗を低く抑える必要があるためである。そして、本実施の形態では、金属反射層１７２の厚さが１００ｎｍ（１０００Å）に設定されている。この金属反射層１７２の厚さは、好ましくは５０ｎｍ以上の範囲より選択することができる。ここで、金属反射層１７２の厚さが５０ｎｍよりも薄いと、発光層１５０からの光の反射性能が低下する点で好ましくない場合がある。
なお、本実施の形態では、金属反射層１７２としてＡｇ単体を用いているが、Ａｇを含む合金を使用するようにしてもかまわない。
なお、本実施の形態では、金属反射層１７２としてＡｇ単体を用いているが、Ａｇを含む合金を使用するようにしてもかまわない。
＜第１拡散防止層＞
図１に示すように、金属反射層１７２の上には接続層の一例としての第１拡散防止層１７３が積層されているのが好ましい。この第１拡散防止層１７３は、接触状態にある金属反射層１７２を構成する金属（この例ではＡｇ（銀））の拡散を抑制するために設けられている。
図２に示すように平面視したときに、第１拡散防止層１７３は、金属反射層１７２の全域を覆うように形成されている。そして、第１拡散防止層１７３の中央部は一定の膜厚を有し且つほぼ平坦に形成される一方、第１拡散防止層１７３の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。また、第１拡散防止層１７３は、金属反射層１７２上に形成され、ｐ型半導体層１６０上には形成されないようになっている。すなわち、ｐ型半導体層１６０と第１拡散防止層１７３とが直接接触しないように構成されている。
図１に示すように、金属反射層１７２の上には接続層の一例としての第１拡散防止層１７３が積層されているのが好ましい。この第１拡散防止層１７３は、接触状態にある金属反射層１７２を構成する金属（この例ではＡｇ（銀））の拡散を抑制するために設けられている。
図２に示すように平面視したときに、第１拡散防止層１７３は、金属反射層１７２の全域を覆うように形成されている。そして、第１拡散防止層１７３の中央部は一定の膜厚を有し且つほぼ平坦に形成される一方、第１拡散防止層１７３の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。また、第１拡散防止層１７３は、金属反射層１７２上に形成され、ｐ型半導体層１６０上には形成されないようになっている。すなわち、ｐ型半導体層１６０と第１拡散防止層１７３とが直接接触しないように構成されている。
第１拡散防止層１７３は、金属反射層１７２とオーミックコンタクトがとれ、しかも、金属反射層１７２との接触抵抗が小さいものを用いることが好ましい。ただし、後述するように、第１拡散防止層１７３は発光層１５０からの光を透過させる機能を基本的に要しないので、上記第１導電層１７１とは異なり、光透過性を有している必要はない。なお、後述するように発光層１５０からの光の取り出し効率を高めるという観点からすれば、第１拡散防止層１７３として、発光層１５０の発する光の吸収が少ないものを用いることが望ましい。また、後述するように、第１拡散防止層１７３は、金属反射層１７２および第１導電層１７１を介してｐ型半導体層１６０に給電を行う機能も有していることから、優れた導電性を有し、且つ、抵抗分布が少ないものを用いることが好ましい。
そして、本実施の形態では、第１拡散防止層１７３の厚さが、５０ｎｍ（５００Å）に設定されている。本実施の形態においては、第１拡散防止層１７３の厚さが５０ｎｍ以上であれば、金属反射層１７２を構成するＡｇ（銀）のマイグレーションが抑制されやすくなる点で好ましい。これに対し、第１拡散防止層１７３の厚さが５０ｎｍよりも薄いと、第１拡散防止層１７３上に形成する第１ボンディング層１７４へのＡｇ（銀）のマイグレーション防止の点で好ましくない。また、第１拡散防止層１７３の厚さが５０００ｎｍよりも厚いと、材料のコストアップの点で好ましくない。なお、本実施の形態では、第１導電層１７１の厚さが第１拡散防止層１７３の厚さよりも薄くなるように、それぞれの厚さが設定されている。
本実施の形態では、第１拡散防止層１７３として、第１導電層１７１と同様にＩＺＯが用いられている。ただし、第１拡散防止層１７３を構成するＩＺＯには熱処理が行われないことから、アモルファス状態のままとなっている。
なお、第１拡散防止層１７３としては、ＩＺＯの他、ＩＴＯ、ＩＧＯ、ＩＣＯ等を用いることができる。また、例えばキャリアをドープしたＳｎＯ2、ＺｎＯ2、ＴｉＯ2等の導電性材料を用いてもよい。さらに、Ｎｉ（ニッケル）やＴｉ（チタン）などの金属材料を用いるようにしても差し支えない。
＜第１ボンディング層＞
図１に示すように、第１拡散防止層１７３の上面および側面には、第１拡散防止層１７３を覆うように第１ボンディング層１７４が積層されている。
図２に示すように平面視したときに、第１ボンディング層１７４は、第１拡散防止層１７３の全域を覆うように形成されている。そして、第１ボンディング層１７４の中央部は一定の膜厚を有し且つほぼ平坦に形成される一方、第１ボンディング層１７４の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。
図１に示すように、第１拡散防止層１７３の上面および側面には、第１拡散防止層１７３を覆うように第１ボンディング層１７４が積層されている。
図２に示すように平面視したときに、第１ボンディング層１７４は、第１拡散防止層１７３の全域を覆うように形成されている。そして、第１ボンディング層１７４の中央部は一定の膜厚を有し且つほぼ平坦に形成される一方、第１ボンディング層１７４の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。
第１ボンディング層１７４は、少なくとも１層以上の金属層を備え、最も内側の層が第１拡散防止層１７３等と接するように形成される。また、最も外側となる最表層の金属層には一般にＡｕ（金）が用いられる。本実施の形態では、第１ボンディング層１７４としてＡｕ（金）の単層膜を用いているが、例えば第１拡散防止層１７３に接して形成される第１層としてのＮｉ（ニッケル）層と、このＮｉ層の外側に形成される第２層としてのＰｔ（白金）層と、このＰｔ層の外側であって最も外側に形成される第３層としてのＡｕ（金）層とを有する構造を採用するようにしてもよい。そして、第１ボンディング層１７４の全体の厚さは、フリップチップ実装する際のパッド電極としての機能を有する厚さがあれば、厚さに制限なく使用することができるが、好ましくは５０ｎｍ（５００Å）〜８０００ｎｍ（８００００Å）に設定されている。
なお、第１ボンディング層１７４を複数の金属層で構成する場合において、第１拡散防止層１７３と接する第１層を構成する材料としては、上述したＮｉ（ニッケル）の他、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、ＮｉＴｉ（ニッケルチタン）合金、およびこれらの窒化物を使用することができる。
＜第１密着層＞
図１に示すように、第１ボンディング層１７４の上面および側面には、第１ボンディング層１７４を覆うように第１密着層１７５が積層されているのが好ましい。
図２に示すように平面視したときに、図１に示す第１密着層１７５は第１ボンディング層１７４の露出部位を除く領域を覆うように形成されている。そして、第１密着層１７５の中央部は一定の膜厚を有し且つほぼ平坦に形成される一方、第１密着層１７５の端部側はｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。この第１密着層１７５の側面側の端部は、ｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃと接するように設けられている。
図１に示すように、第１ボンディング層１７４の上面および側面には、第１ボンディング層１７４を覆うように第１密着層１７５が積層されているのが好ましい。
図２に示すように平面視したときに、図１に示す第１密着層１７５は第１ボンディング層１７４の露出部位を除く領域を覆うように形成されている。そして、第１密着層１７５の中央部は一定の膜厚を有し且つほぼ平坦に形成される一方、第１密着層１７５の端部側はｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃに対し傾斜して形成されている。この第１密着層１７５の側面側の端部は、ｐ型半導体層１６０の上面１６０ｃと接するように設けられている。
第１密着層１７５は、Ａｕ（金）で構成された第１ボンディング層１７４と保護層１９０との物理的な密着性を向上させるために設けられている。本実施の形態において、第１密着層１７５は、Ｔａ（タンタル）で形成されている。ただし、第１密着層１７５として、Ｔａ（タンタル）以外に、例えばＴｉ（チタン）やＮｉ（ニッケル）を用いることも可能である。そして、第１密着層１７５の厚さは、５ｎｍ〜４００ｎｍとすることが好ましく、５ｎｍ〜３００ｎｍとすることがより好ましく、７ｎｍ〜１００ｎｍとすることが更に好ましい。第１密着層１７５の厚みが５ｎｍ未満になると、第１密着層１７５の接合強度が低下するので好ましくない。
＜第２電極＞
続いて、第２電極１８０の構成について詳細に説明する。
第２電極１８０は、好ましくは、ｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃ上に積層される第２導電層１８１と、第２導電層１８１の上に積層される第２ボンディング層１８３と、上述した第２ボンディング層１８３の露出部位を除いて第２ボンディング層１８３を覆うように設けられ、第２ボンディング層１８３と反対側の面には保護層１９０が積層される第２密着層１８４とを有している。
なお、第２導電層１８１と第２ボンディング層１８３との間に第２拡散防止層１８２を設けるようにしてもよい。ここで、図１および図５には、好ましい例として第２拡散防止層１８２を設けた場合を例示している。
続いて、第２電極１８０の構成について詳細に説明する。
第２電極１８０は、好ましくは、ｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃ上に積層される第２導電層１８１と、第２導電層１８１の上に積層される第２ボンディング層１８３と、上述した第２ボンディング層１８３の露出部位を除いて第２ボンディング層１８３を覆うように設けられ、第２ボンディング層１８３と反対側の面には保護層１９０が積層される第２密着層１８４とを有している。
なお、第２導電層１８１と第２ボンディング層１８３との間に第２拡散防止層１８２を設けるようにしてもよい。ここで、図１および図５には、好ましい例として第２拡散防止層１８２を設けた場合を例示している。
＜第２導電層＞
図１に示すように、ｎ型半導体層１４０の上には第２導電層１８１が積層されているのがよい。
図２に示すように平面視したときに、第２導電層１８１（図１参照）は、円形状の外形を有している。そして、第２導電層１８１の中央部は一定の膜厚を有し半導体層露出面１４０ｃに対しほぼ平坦に形成される一方、第２導電層１８１の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃに対し傾斜して形成されている。ただし、第２導電層１８１は、このような形状に限定されるわけでなく、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよく、また、矩形状の断面を有していてもよく、さらに円形状以外の外形を有していてもよい。なお、図２において、第２導電層１８１は、第２ボンディング層１８３の背面側に形成されているため、その背後に隠れている。
図１に示すように、ｎ型半導体層１４０の上には第２導電層１８１が積層されているのがよい。
図２に示すように平面視したときに、第２導電層１８１（図１参照）は、円形状の外形を有している。そして、第２導電層１８１の中央部は一定の膜厚を有し半導体層露出面１４０ｃに対しほぼ平坦に形成される一方、第２導電層１８１の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃに対し傾斜して形成されている。ただし、第２導電層１８１は、このような形状に限定されるわけでなく、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよく、また、矩形状の断面を有していてもよく、さらに円形状以外の外形を有していてもよい。なお、図２において、第２導電層１８１は、第２ボンディング層１８３の背面側に形成されているため、その背後に隠れている。
第２導電層１８１は、ｎ型半導体層１４０とオーミックコンタクトがとれ、しかもｎ型半導体層１４０との接触抵抗が小さいものを用いることが好ましい。
本実施の形態では、第２導電層１８１として、Ａｌ（アルミニウム）を用いている。第２導電層１８１を構成するＡｌ（アルミニウム）は、上述した第１電極１７０の金属反射層１７２を構成するＡｇ（銀）と同様、発光層１５０から出射される青色〜緑色の領域の波長の光に対して、高い光反射性を有しており、こちらも金属反射層として機能するようになっている。また、本実施の形態では、第２導電層１８１の厚さは１００ｎｍ（１０００Å）に設定されている。なお、第２導電層１８１の厚さは５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲より選択することができる。ここで、第２導電層１８１の厚さが５０ｎｍよりも薄いと、光が透過してしまうことによって光の取り出し効率が低下し、また、第２導電層１８１の厚さが１００ｎｍよりも厚いと、成膜時間が長くなることによりレジストが加熱され、レジスト残渣が生じやすくなるなど、信頼性の面で好ましくない場合がある。
本実施の形態では、第２導電層１８１として、Ａｌ（アルミニウム）を用いている。第２導電層１８１を構成するＡｌ（アルミニウム）は、上述した第１電極１７０の金属反射層１７２を構成するＡｇ（銀）と同様、発光層１５０から出射される青色〜緑色の領域の波長の光に対して、高い光反射性を有しており、こちらも金属反射層として機能するようになっている。また、本実施の形態では、第２導電層１８１の厚さは１００ｎｍ（１０００Å）に設定されている。なお、第２導電層１８１の厚さは５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲より選択することができる。ここで、第２導電層１８１の厚さが５０ｎｍよりも薄いと、光が透過してしまうことによって光の取り出し効率が低下し、また、第２導電層１８１の厚さが１００ｎｍよりも厚いと、成膜時間が長くなることによりレジストが加熱され、レジスト残渣が生じやすくなるなど、信頼性の面で好ましくない場合がある。
＜第２拡散防止層＞
図１に示すように、第２導電層１８１の上には第２拡散防止層１８２が積層されているのが好ましい。この第２拡散防止層１８２は、接触状態にある第２導電層１８１を構成する金属（この例ではＡｌ（アルミニウム））の拡散を抑制するために設けられている。
図２に示すように平面視したときに、第２拡散防止層１８２は、第２導電層１８１の全域を覆うように形成されている。そして、第２拡散防止層１８２の中央部は一定の膜厚を有しほぼ平坦に形成される一方、第２拡散防止層１８２の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃに対し傾斜して形成されている。また、第２拡散防止層１８２は、第２導電層１８１上に形成され、ｎ型半導体層１４０上には形成されないようになっている。すなわち、ｎ型半導体層１４０と第２拡散防止層１８２とが直接接触しないように構成されている。
図１に示すように、第２導電層１８１の上には第２拡散防止層１８２が積層されているのが好ましい。この第２拡散防止層１８２は、接触状態にある第２導電層１８１を構成する金属（この例ではＡｌ（アルミニウム））の拡散を抑制するために設けられている。
図２に示すように平面視したときに、第２拡散防止層１８２は、第２導電層１８１の全域を覆うように形成されている。そして、第２拡散防止層１８２の中央部は一定の膜厚を有しほぼ平坦に形成される一方、第２拡散防止層１８２の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃに対し傾斜して形成されている。また、第２拡散防止層１８２は、第２導電層１８１上に形成され、ｎ型半導体層１４０上には形成されないようになっている。すなわち、ｎ型半導体層１４０と第２拡散防止層１８２とが直接接触しないように構成されている。
そして、本実施の形態では、第２拡散防止層１８２の厚さが、５０ｎｍ（５００Å）に設定されている。本実施の形態においては、第２拡散防止層１８２の厚さが５０ｎｍ以上であれば、第２導電層１８１を構成するＡｌ（アルミニウム）のマイグレーションが抑制されやすくなる点で好ましい。これに対し、第２拡散防止層１８２の厚さが５０ｎｍよりも薄いと、第２拡散防止層１８２上に形成する第２ボンディング層１８３へのＡｌ（アルミニウム）のマイグレーション防止の点で好ましくない。また、第２拡散防止層１８２の厚さが５０００ｎｍよりも厚いと、材料のコストアップの点で好ましくない。
本実施の形態では、第２拡散防止層１８２として、Ｐｔ（白金）を用いている。
なお、第２拡散防止層１８２としては、Ｐｔ（白金）の他に、Ｒｈ（ロジウム）、Ｗ（タングステン）などの金属材料を用いるようにしてもよい。
なお、第２拡散防止層１８２としては、Ｐｔ（白金）の他に、Ｒｈ（ロジウム）、Ｗ（タングステン）などの金属材料を用いるようにしてもよい。
＜第２ボンディング層＞
図１に示すように、第２拡散防止層１８２の上には第２ボンディング層１８３が積層されている。
図２に示すように平面視したときに、第２ボンディング層１８３は、第２拡散防止層１８２の全域を覆うように形成されている。そして、第２ボンディング層１８３の中央部は一定の膜厚を有しほぼ平坦に形成される一方、第１ボンディング層１７４の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃに対し傾斜して形成されている。
図１に示すように、第２拡散防止層１８２の上には第２ボンディング層１８３が積層されている。
図２に示すように平面視したときに、第２ボンディング層１８３は、第２拡散防止層１８２の全域を覆うように形成されている。そして、第２ボンディング層１８３の中央部は一定の膜厚を有しほぼ平坦に形成される一方、第１ボンディング層１７４の端部側は膜厚が漸次薄くなることでｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃに対し傾斜して形成されている。
第２ボンディング層１８３は、上述した第１電極１７０の第１ボンディング層１７４と同様、少なくとも１層以上の金属層を備え、最も内側の層が第１拡散防止層１７３等と接するように形成される。また、最も外側となる最表層の金属層には一般にＡｕ（金）が用いられる。本実施の形態では、第２ボンディング層１８３が第１ボンディング層１７４と同じＡｕ（金）の単層膜で構成されている。また、第２ボンディング層１８３の全体の厚さも、好ましくは５０ｎｍ（５００Å）〜８０００ｎｍ（８００００Å）に設定されている。なお、第１拡散防止層１７３のところで説明したように、第２ボンディング層１８３を複数の金属層の積層構造とすることもできる。
＜第２密着層＞
図１に示すように、第２ボンディング層１８３の上には第２密着層１８４が積層されているのが好ましい。
図２に示すように平面視したときに、第２密着層１８４は第２ボンディング層１８３の露出部位を除く領域を覆うように形成されている。そして、第２密着層１８４の中央部は一定の膜厚を有し且つほぼ平坦に形成される一方、第２密着層１８４の端部側はｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃに対し傾斜して形成されている。この第２密着層１８４の側面側の端部は、ｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃと接するように設けられている。
図１に示すように、第２ボンディング層１８３の上には第２密着層１８４が積層されているのが好ましい。
図２に示すように平面視したときに、第２密着層１８４は第２ボンディング層１８３の露出部位を除く領域を覆うように形成されている。そして、第２密着層１８４の中央部は一定の膜厚を有し且つほぼ平坦に形成される一方、第２密着層１８４の端部側はｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃに対し傾斜して形成されている。この第２密着層１８４の側面側の端部は、ｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃと接するように設けられている。
第２密着層１８４は、上述した第１電極１７０の第１密着層１７５と同様に、Ａｕ（金）で構成された第２ボンディング層１８３と保護層１９０との物理的な密着性を向上させるために設けられている。本実施の形態において、第２密着層１８４は、第１密着層１７５と同じくＴａ（タンタル）で形成されている。ただし、第２密着層１８４として、Ｔａ（タンタル）以外に、例えばＴｉ（チタン）やＮｉ（ニッケル）を用いることも可能である。そして、第２密着層１８４の厚さは、厚みは、５ｎｍ〜４００ｎｍとすることが好ましく、５ｎｍ〜３００ｎｍとすることがより好ましく、７ｎｍ〜１００ｎｍとすることが更に好ましい。第２密着層１８４の厚みが５ｎｍ未満になると、第２密着層１８４の接合強度が低下するので好ましくない。
＜保護層＞
図１に示すように、保護層１９０は、第１電極１７０の一部および第２電極１８０の一部を除いて、これら第１電極１７０および第２電極１８０を覆い、且つ、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部（半導体層露出面１４０ｃよりも発光層１５０側）を覆うように積層されている。保護層１９０は、外部から水等が発光層１５０、第１電極１７０および第２電極１８０に浸入するのを抑制してこれらを保護する機能を備えている。なお、本実施の形態では、保護層１９０をＳｉＯ２（酸化珪素）で構成している。
図１に示すように、保護層１９０は、第１電極１７０の一部および第２電極１８０の一部を除いて、これら第１電極１７０および第２電極１８０を覆い、且つ、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０の一部（半導体層露出面１４０ｃよりも発光層１５０側）を覆うように積層されている。保護層１９０は、外部から水等が発光層１５０、第１電極１７０および第２電極１８０に浸入するのを抑制してこれらを保護する機能を備えている。なお、本実施の形態では、保護層１９０をＳｉＯ２（酸化珪素）で構成している。
次に、図１に示す半導体発光素子１の使用方法について説明する。
図５は、図１に示す半導体発光素子１を配線基板１０に実装した発光装置の構成の一例を示す図である。
配線基板１０の一方の面には、正電極１１と負電極１２とが形成されている。
そして、配線基板１０に対し、図１に示す半導体発光素子１の上下を反転させた状態で、正電極１１には第１電極１７０（具体的には第１ボンディング層１７４）を、また、負電極１２には第２電極１８０（具体的には第２ボンディング層１８３）を、それぞれはんだ２０を用いて電気的に接続すると共に機械的に固定している。このような配線基板１０に対する半導体発光素子１の接続手法は、一般にフリップチップ接続と呼ばれるものである。フリップチップ接続においては、配線基板１０からみて、半導体発光素子１の基板１１０が発光層１５０よりも遠い位置に置かれる。
図５は、図１に示す半導体発光素子１を配線基板１０に実装した発光装置の構成の一例を示す図である。
配線基板１０の一方の面には、正電極１１と負電極１２とが形成されている。
そして、配線基板１０に対し、図１に示す半導体発光素子１の上下を反転させた状態で、正電極１１には第１電極１７０（具体的には第１ボンディング層１７４）を、また、負電極１２には第２電極１８０（具体的には第２ボンディング層１８３）を、それぞれはんだ２０を用いて電気的に接続すると共に機械的に固定している。このような配線基板１０に対する半導体発光素子１の接続手法は、一般にフリップチップ接続と呼ばれるものである。フリップチップ接続においては、配線基板１０からみて、半導体発光素子１の基板１１０が発光層１５０よりも遠い位置に置かれる。
では、図５に示す発光装置の発光動作について説明する。
配線基板１０の正電極１１および負電極１２を介して、半導体発光素子１に正電極１１から負電極１２に向かう電流を流すと、半導体発光素子１では、第１電極１７０からｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０を介して第２電極１８０に向かう電流が流れ、発光層１５０から青色光が出力される。なお、このとき、第１電極１７０では、第１ボンディング層１７４、第１拡散防止層１７３、金属反射層１７２および第１導電層１７１を介して電流が流れ、ｐ型半導体層１６０には、上面１６０ｃの面上において均一化された状態の電流が供給される。
配線基板１０の正電極１１および負電極１２を介して、半導体発光素子１に正電極１１から負電極１２に向かう電流を流すと、半導体発光素子１では、第１電極１７０からｐ型半導体層１６０、発光層１５０およびｎ型半導体層１４０を介して第２電極１８０に向かう電流が流れ、発光層１５０から青色光が出力される。なお、このとき、第１電極１７０では、第１ボンディング層１７４、第１拡散防止層１７３、金属反射層１７２および第１導電層１７１を介して電流が流れ、ｐ型半導体層１６０には、上面１６０ｃの面上において均一化された状態の電流が供給される。
発光層１５０から出力される光のうち基板１１０側に向かう光は、ｎ型半導体層１４０、下地層１３０、中間層１２０および基板１１０を透過し、図５に示す矢印方向すなわち半導体発光素子１の外部に出射される。
一方、発光層１５０から出射される光のうち第１電極１７０側に向かう光は、ｐ型半導体層１６０および第１導電層１７１を介して金属反射層１７２に到達し、金属反射層１７２で反射される。そして、金属反射層１７２で反射した光は、第１導電層１７１、ｐ型半導体層１６０、発光層１５０、ｎ型半導体層１４０、下地層１３０、中間層１２０および基板１１０を透過し、図５に示す矢印方向すなわち半導体発光素子１の外部に出射される。
ここで、基板１１０と中間層１２０との界面においては、これら両者の屈折率差が大きいことから、発光層１５０から直接あるいは間接的に基板１１０側へと向かう光の一部が、第１電極１７０側等に向かって反射しやすくなっている。中間層１２０と基板１１０との界面で反射した光は、半導体発光素子１内を進行し、一部はその後、半導体発光素子１の外部に取り出されるようになるものの、他の一部は半導体発光素子１内の積層半導体層１００等によって吸収されてしまうことになる。
これに対し、本実施の形態では、基板１１０の中間層１２０と接する側の面に、中間層１２０よりも屈折率が低く、且つ、基板１１０よりも屈折率の高い材料で構成された複数の突起１１５を設けていることから、複数の突起１１５の形成部においては、中間層１２０側から複数の突起１１５を介して基板１１０側に光が入射しやすくなっている。このように、基板１１０と中間層１２０との間に複数の突起１１５を設けることにより、基板１１０に到達する光の量および基板１１０を介して外部に出力する光の量を増加させることができ、結果として、半導体発光素子１から出力される光の取り出し効率を向上させることが可能となる。
また、本実施の形態では、第１電極１７０に金属反射層１７２を設けることにより、発光層１５０から基板１１０とは反対側に向かって出力される光を、金属反射層１７２を介して基板１１０側に反射させるようにした。これによっても、半導体発光素子１から出力される光の取り出し効率を向上させることができる。また、金属反射層１７２に電極としての機能と鏡としての機能とを兼ねさせるようにしたので、半導体発光素子１の構成を簡易なものとすることができる。
さて、本実施の形態では、ｐ型半導体層１６０と接続される第１電極１７０に抵抗値の低い金属反射層１７２を設けていることから、発光層１５０の面内発光むらを抑制するために、ｎ型半導体層１４０のシート抵抗値を低くすることが必要とされる。ここで、ｎ型半導体層１４０のシート抵抗値を低下させるための手法として、ｎ型半導体層１４０におけるｎ型不純物の濃度を増加させること、および／または、ｎ型半導体層１４０の厚みを増加させることが考えられる。
ここで、ｎ型不純物の濃度を増加させた場合、ｎ型半導体層１４０の厚みを増加させた場合のいずれにおいても、得られるｎ型半導体層１４０の結晶性の低下を招く懸念がある。そして、ｎ型半導体層１４０の結晶性が低下してしまうと、ｎ型半導体層１４０の上に積層される発光層１５０の結晶性も低下しやすくなることから、発光層１５０から出力される光量の低下を来すおそれがある。
そこで、本実施の形態では、まず、複数の突起１１５を形成した基板１１０の上に、中間層１２０および下地層１３０を介してｎ型半導体層１４０を成長させるようにした。このようにすることで、上述したように中間層１２０の成長時における結晶の転位を抑制することができるようになり、中間層１２０の上に形成される下地層１３０の結晶性を高めることが可能になる。したがって、結晶性が良好な下地層１３０の上にｎ型半導体層１４０が形成されるようになることから、ｎ型不純物の濃度を増加させたり、あるいは、厚みを増加させたりした場合であっても、ｎ型半導体層１４０における結晶性の低下を、許容される範囲内に収めることが可能になる。
また、本実施の形態では、ｎ型半導体層１４０を構成するｎクラッド層１４０ｂすなわち発光層１５０の積層対象となる層を、超格子構造で構成するようにした。ｎクラッド層１４０ｂを超格子構造とすると、ｎクラッド層１４０ｂの積層対象となるｎコンタクト層１４０ａにおける結晶欠陥が、上層（ここでは発光層１５０）に伝播されにくくなる。したがって、超格子構造を有するｎクラッド層１４０ｂの上に積層される発光層１５０の結晶性が良好なものとなる。
そして、本実施の形態では、このようにして得られた半導体発光素子１をフリップチップ実装にて使用するが、上述した構成を有することで発光層１５０の結晶性が良好なものとなり、その結果、発光層１５０から出力される光量の低下が抑制される。
また、半導体発光素子１の第１電極１７０に金属反射層１７２を設けることで、発光層１５０から基板１１０とは反対側に向かって出射された光も、基板１１０を介して取り出すことが可能となり、光取り出し効率を向上させることができる。
さらに、基板１１０に複数の突起１１５を設けていることから、中間層１２０と基板１１０との間の屈折率差に起因して両者の間で生じる反射が抑制され、結果として、発光層１５０から出力され、基板１１０を介して外部に出力される光の取り出し効率がさらに向上する。
さらにまた、第１電極１７０に金属反射層１７２を設けるとともに、上述した工夫によってｎ型半導体層１４０のシート抵抗値を低くすることが可能となるので、発光層１５０における発光分布を均一なものとすることができる。
また、半導体発光素子１の第１電極１７０に金属反射層１７２を設けることで、発光層１５０から基板１１０とは反対側に向かって出射された光も、基板１１０を介して取り出すことが可能となり、光取り出し効率を向上させることができる。
さらに、基板１１０に複数の突起１１５を設けていることから、中間層１２０と基板１１０との間の屈折率差に起因して両者の間で生じる反射が抑制され、結果として、発光層１５０から出力され、基板１１０を介して外部に出力される光の取り出し効率がさらに向上する。
さらにまた、第１電極１７０に金属反射層１７２を設けるとともに、上述した工夫によってｎ型半導体層１４０のシート抵抗値を低くすることが可能となるので、発光層１５０における発光分布を均一なものとすることができる。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
図６は、以下に説明する各実施例および各比較例のそれぞれにおける構成および評価結果を説明するための図である。
図６は、以下に説明する各実施例および各比較例のそれぞれにおける構成および評価結果を説明するための図である。
（実施例１）
フリップチップ型の半導体発光素子として、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子１を次のようにして製造した。
まず、片面に複数の突起１１５が形成されたサファイア基板上に、ＡｌＮからなるバッファ層（スパッタ法により形成）を介して、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層を形成した。ここで、複数の突起１１５の形成方法としては、サファイアからなる基板１１０の片面に均一にＴｉＯ２を成膜した後、公知のエッチング（ウェットエッチング、ドライエッチング）を施すことによって形成した。なお、複数の突起１１５は、特開２００９−１２３７１７号公報の図２記載の半球状凸部構造が基板１１０上に複数形成された構造であり、特開２００９−１２３７１７号公報の図２記載の半球状凸部構造であり、各凸部の基部幅は１μｍ、隣接する凸部間の間隔は１μｍ、高さは０．５μｍとした。
次に、厚さ２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなるｎコンタクト層１４０ａと、厚さ８０ｎｍのＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる超格子構造のｎクラッド層１４０ｂと、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮからなる障壁層１５０ａおよび厚さ２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５０ｂをそれぞれ５回積層し最後に障壁層１５０ａを設けた多重量子井戸構造の発光層１５０とを形成した。
さらに、厚さ１０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐクラッド層１６０ａと、厚さ１５０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１６０ｂを順に形成した。
なお、超格子構造を有するｎクラッド層１４０ｂは、Ｇａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる厚さ２ｎｍのｎ側第１層１４１と、ＧａＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第２層１４２とを交互に繰返し積層することにより形成した。
また、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
フリップチップ型の半導体発光素子として、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子１を次のようにして製造した。
まず、片面に複数の突起１１５が形成されたサファイア基板上に、ＡｌＮからなるバッファ層（スパッタ法により形成）を介して、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層を形成した。ここで、複数の突起１１５の形成方法としては、サファイアからなる基板１１０の片面に均一にＴｉＯ２を成膜した後、公知のエッチング（ウェットエッチング、ドライエッチング）を施すことによって形成した。なお、複数の突起１１５は、特開２００９−１２３７１７号公報の図２記載の半球状凸部構造が基板１１０上に複数形成された構造であり、特開２００９−１２３７１７号公報の図２記載の半球状凸部構造であり、各凸部の基部幅は１μｍ、隣接する凸部間の間隔は１μｍ、高さは０．５μｍとした。
次に、厚さ２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなるｎコンタクト層１４０ａと、厚さ８０ｎｍのＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる超格子構造のｎクラッド層１４０ｂと、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮからなる障壁層１５０ａおよび厚さ２．５ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる井戸層１５０ｂをそれぞれ５回積層し最後に障壁層１５０ａを設けた多重量子井戸構造の発光層１５０とを形成した。
さらに、厚さ１０ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐクラッド層１６０ａと、厚さ１５０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１６０ｂを順に形成した。
なお、超格子構造を有するｎクラッド層１４０ｂは、Ｇａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる厚さ２ｎｍのｎ側第１層１４１と、ＧａＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第２層１４２とを交互に繰返し積層することにより形成した。
また、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
続いて、フォトリソグラフィーの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にｎコンタクト層１４０ａを露出させることで半導体層露出面１４０ｃを形成させ、この半導体層露出面１４０ｃ上に露出面側からスパッタ法により、順次厚さ４０ｎｍのＡｌからなる第２導電層１８１、厚さ１００ｎｍのＰｔからなる第２拡散防止層１８２、厚さ３００ｎｍのＡｕからなる第２ボンディング層１８３を形成した。その後、スパッタ法により厚さ１０ｎｍのＴａからなる第２密着層１８４を形成した。
次に、３５０μｍ角の半導体発光素子１を作製するために、一辺の長さが３２０μｍの略正方形状の開口部を備えるマスクを形成した。レジストとしては、ＡＺ５２００ＮＪ（製品名：ＡＺエレクトロニックマテリアルズ株式会社製）を用いた。
次に、３５０μｍ角の半導体発光素子１を作製するために、一辺の長さが３２０μｍの略正方形状の開口部を備えるマスクを形成した。レジストとしては、ＡＺ５２００ＮＪ（製品名：ＡＺエレクトロニックマテリアルズ株式会社製）を用いた。
そして、上述したマスクを具備した状態で、スパッタ法により、厚さ２０ｎｍのＩＴＯからなる第１導電層１７１、厚さ１００ｎｍのＡｇからなる金属反射層１７２、厚さ５０ｎｍのＴｉからなる第１拡散防止層１７３、厚さ３００ｎｍのＡｕからなる第１ボンディング層１７４を形成した。
次に、スパッタ法により、厚さ１０ｎｍのＴａからなる第１密着層１７５を形成した。
その後、レジスト剥離液を用いてマスクを除去した。
その後、レジスト剥離液を用いてマスクを除去した。
さらに、スパッタ法により、第１密着層１７５、ｐ型半導体層１６０の上面および側面およびｎ型半導体層１４０の半導体層露出面１４０ｃを覆うように、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２からなる保護層１９０を形成した。
次に、公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングして、第１電極１７０の所定の領域に凹部をエッチング形成して、第１ボンディング層１７４の一部を露出させることにより、第１電極１７０の上面を露出させて、実施例１の半導体発光素子１を製造した。
次に、公知のフォトリソグラフィーの手法によってパターニングして、第１電極１７０の所定の領域に凹部をエッチング形成して、第１ボンディング層１７４の一部を露出させることにより、第１電極１７０の上面を露出させて、実施例１の半導体発光素子１を製造した。
また、図６に示す他の条件にて、実施例１と同様にして、実施例２、比較例１〜比較例３の半導体発光素子１を製造した。
（実施例２）
実施例１に記載の突起１１５の材料をＴｉＯ２からＳｉ３Ｎ４に変えた以外は、実施例１と同一の条件にて半導体発光素子１を製造した。
実施例１に記載の突起１１５の材料をＴｉＯ２からＳｉ３Ｎ４に変えた以外は、実施例１と同一の条件にて半導体発光素子１を製造した。
（比較例１）
実施例１に記載の基板１１０を、突起１１５を形成しないで用いた点、および、超格子構造のｎクラッド層１４０ｂを厚さ２５０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層に変えた以外は実施例１と同一の条件にて半導体発光素子１を製造した。
実施例１に記載の基板１１０を、突起１１５を形成しないで用いた点、および、超格子構造のｎクラッド層１４０ｂを厚さ２５０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層に変えた以外は実施例１と同一の条件にて半導体発光素子１を製造した。
（比較例２）
実施例１に記載の基板１１０を、その片面に特開２００９−１２３７１７号公報に記載の半球状の複数の凸部を形成した点、および、超格子構造のｎクラッド層１４０ｂを厚さ２５０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎクラッド層１４０ｂに変えた以外は実施例１と同一の条件にて半導体発光素子１を製造した。なお、基板１１０上の半球状の複数の凸部構造において、基部幅は２μｍ、隣接する凸部間の間隔は４μｍ、高さは１μｍとした。
実施例１に記載の基板１１０を、その片面に特開２００９−１２３７１７号公報に記載の半球状の複数の凸部を形成した点、および、超格子構造のｎクラッド層１４０ｂを厚さ２５０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｎクラッド層１４０ｂに変えた以外は実施例１と同一の条件にて半導体発光素子１を製造した。なお、基板１１０上の半球状の複数の凸部構造において、基部幅は２μｍ、隣接する凸部間の間隔は４μｍ、高さは１μｍとした。
（比較例３）
実施例１に記載の超格子構造のｎクラッド層１４０ｂを厚さ２５０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層に変えた以外は実施例１と同一の条件にて半導体発光素子１を製造した。なお、基板１１０上の半球状の複数の凸部構造において、基部幅は１μｍ、隣接する凸部間の間隔は１μｍ、高さは０．５μｍとした。
実施例１に記載の超格子構造のｎクラッド層１４０ｂを厚さ２５０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層に変えた以外は実施例１と同一の条件にて半導体発光素子１を製造した。なお、基板１１０上の半球状の複数の凸部構造において、基部幅は１μｍ、隣接する凸部間の間隔は１μｍ、高さは０．５μｍとした。
＜半導体発光素子の評価＞
このようにして得られた各半導体発光素子１について、電流電圧特性および発光特性の評価を行った。
図６には、実施例１、２および比較例１〜３に記載の半導体発光素子１の順方向電圧Ｖｆ（順方向電流Ｉｆとして２０ｍＡ、５０ｍＡ、８０ｍＡをそれぞれ供給した場合）を記載している。また、図６には、実施例１、２および比較例１〜３に記載の半導体発光素子１を図５に示すようにフリップチップ実装した場合の、発光出力Ｐｏ（順方向電流Ｉｆとして２０ｍＡ、５０ｍＡ、８０ｍＡをそれぞれ供給した場合）も併せて記載している。
このようにして得られた各半導体発光素子１について、電流電圧特性および発光特性の評価を行った。
図６には、実施例１、２および比較例１〜３に記載の半導体発光素子１の順方向電圧Ｖｆ（順方向電流Ｉｆとして２０ｍＡ、５０ｍＡ、８０ｍＡをそれぞれ供給した場合）を記載している。また、図６には、実施例１、２および比較例１〜３に記載の半導体発光素子１を図５に示すようにフリップチップ実装した場合の、発光出力Ｐｏ（順方向電流Ｉｆとして２０ｍＡ、５０ｍＡ、８０ｍＡをそれぞれ供給した場合）も併せて記載している。
なお、ここでは、実施例１、２、比較例１〜３のそれぞれにおいて、各構成を有する複数の半導体発光素子１の中から、順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡを印加した際のドミナント波長λｄが４５０ｎｍとなるチップ（半導体発光素子１）を１５個ずつ選択して用いた。また、図６には、各例における１５個の半導体発光素子１の順方向電圧Ｖｆおよび発光出力Ｐｏについて、それぞれの平均値を記載した。
実施例１、２では、順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡの場合に、順方向電圧Ｖｆは３．２３〜３．２４Ｖ、発光出力Ｐｏは２０．５９〜２１．３０ｍＷであった。
これに対し、基板１１０に凹凸加工を施していない比較例１では、順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡの場合の発光出力Ｐｏが１４．９０ｍＷとなり、実施例１、実施例２の発光出力Ｐｏよりも低かった。
また、基板１１０に凹凸加工を施すことで、凸部を基板１１０と同じ材質で構成した比較例２では、順方向電圧Ｖｆは３．３３Ｖ、発光出力Ｐｏは１８．５０ｍＷであり、実施例１、２の順方向電圧Ｖｆよりも高く、発光出力Ｐｏは低かった。
さらに、ｎクラッド層１４０ｂを超格子構造ではなく単層構造とした比較例３では、発光出力Ｐｏは１９．１０ｍＷであり、実施例１、２の発光出力Ｐｏよりも低かった。
これに対し、基板１１０に凹凸加工を施していない比較例１では、順方向電流Ｉｆ＝２０ｍＡの場合の発光出力Ｐｏが１４．９０ｍＷとなり、実施例１、実施例２の発光出力Ｐｏよりも低かった。
また、基板１１０に凹凸加工を施すことで、凸部を基板１１０と同じ材質で構成した比較例２では、順方向電圧Ｖｆは３．３３Ｖ、発光出力Ｐｏは１８．５０ｍＷであり、実施例１、２の順方向電圧Ｖｆよりも高く、発光出力Ｐｏは低かった。
さらに、ｎクラッド層１４０ｂを超格子構造ではなく単層構造とした比較例３では、発光出力Ｐｏは１９．１０ｍＷであり、実施例１、２の発光出力Ｐｏよりも低かった。
１…半導体発光素子、１０…配線基板、１００…積層半導体層、１１０…基板、１１５…突起、１２０…中間層、１３０…下地層、１４０…ｎ型半導体層、１４０ｃ…半導体層露出面、１４１…ｎ側第１層、１４２…ｎ側第２層、１５０…発光層、１６０…ｐ型半導体層、１６０ｃ…上面、１７０…第１電極、１７１…第１導電層、１７２…金属反射層、１７３…第１拡散防止層、１７４…第１ボンディング層、１７５…第１密着層、１８０…第２電極、１８１…第２導電層、１８２…第２拡散防止層、１８３…第２ボンディング層、１８４…第２密着層、１９０…保護層
Claims (3)
- 基板と、
前記基板の一方の面に形成される複数の突起と、
ＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、前記基板の前記複数の突起の形成面側に積層される中間層と、
第１の導電型を有するＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、前記中間層に積層される第１の半導体層と、
ＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、前記第１の半導体層に積層され、通電により発光する発光層と、
前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有するＩＩＩ族窒化物半導体で構成され、前記発光層に積層される第２の半導体層と、
銀または銀を含む合金で構成され、前記第２の半導体層に積層され、当該第２の半導体層を介して当該発光層に給電を行うとともに当該発光層から出射される光を反射する金属層と
を含み、
前記基板は、前記発光層から出射される光に対する光透過性を有し、
前記複数の突起は、前記発光層から出射される光に対する光透過性を有するとともに、前記中間層よりも低く且つ前記基板よりも高い屈折率を有する材料で構成され、
前記第１の半導体層は、前記発光層と接する側に超格子構造を有すること
を特徴とする半導体発光素子。 - 前記基板はサファイアで構成され、
前記複数の突起は窒化珪素、酸化チタンまたは酸化インジウム錫で構成されること
を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 前記発光層から出射される光に対する光透過性および導電性を有する金属酸化物で構成され、前記第２の半導体層と前記金属層との間に形成される透明導電層と、
導電性を有する金属酸化物で構成され、前記金属層に積層されて外部との電気的な接続に用いられる接続層と
をさらに含むことを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
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