JP2011066304A - 発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】オーミック電極の配置又は形状が複雑であっても、接合電極の配置及び形状の設計の自由度が高い発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子１は、第１導電型の半導体層と、発光層２５と、第１導電型とは異なる第２導電型の半導体層とを含む窒化物化合物半導体からなる半導体積層構造と、発光層２５が発した光を反射する反射層６０を含んで半導体積層構造上に設けられる下部絶縁層５０と、下部絶縁層５０と発光層２５及び第２導電型の半導体層とを貫通する第１上下導通部７２２と、平面方向に伸びる第１平面導通部７２０とを有し、第１導電型の半導体層に電気的に接続する第１配線と、下部絶縁層５０を貫通する第２上下導通部７０２と、平面方向に伸びる第２平面導通部７００とを有し、第２導電型の半導体層に電気的に接続する第２配線とを備える
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、フリップチップ型の発光素子に関する。
従来、半導体層上に形成された拡散電極と、当該拡散電極表面を被覆するパッシベーション膜であって一部に開口部を有するパッシベーション膜と、上面にはんだ層を有する接合電極とを備え、拡散電極表面には、パッシベーション膜の開口部の底部に開口部より大径で、かつ、その表面が拡散電極の表面より平坦なバッファ電極が形成され、バッファ電極へ接合電極が接続する半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の半導体発光素子は、拡散電極の表面にバッファ電極が形成され、このバッファ電極上においてパッシベーション膜にバッファ電極よりも小さな開口部が形成されており、バッファ電極の表面が平坦であるので、バッファ電極とパッシベーション膜との間の密着性を確保することができ、開口部をエッチングする際に、バッファ電極とパッシベーション膜との界面から横方向へのエッチングの進行を抑制することができる。
特開２００８−２８８５４８号公報
しかし、特許文献１に記載の半導体発光素子は、オーミック電極としてのｐ電極及びｎ電極と接合電極とを電気的に接続させるために、ｐ電極及びｎ電極の直上に設けたビアを介してｐ電極及びｎ電極と接合電極とを電気的に接続させるので、接合電極の配置の自由度を向上させるには限界がある。特に、ｐ電極及びｎ電極の配置を複雑な配置にしたり、複雑な形状にした場合には、接合電極の配置も複雑になりやすい。
したがって、本発明の目的は、オーミック電極の配置又は形状が複雑であっても、接合電極の配置及び形状の設計の自由度が高い発光素子を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、第１導電型の第１半導体層と、発光層と、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層とを含む窒化物化合物半導体からなる半導体積層構造と、前記半導体積層構造上に設けられる絶縁層と、前記絶縁層、前記発光層及び前記第２半導体層の内部を上下方向に延びる第１上下導通部と、前記絶縁層の内部を平面方向に延びる第１平面導通部とを有し、前記第１半導体層と電気的に接続される第１配線と、前記絶縁層の内部を上下方向に延びる第２上下導通部と、前記絶縁層の内部を平面方向に延びる第２平面導通部とを有し、前記第２半導体層と電気的に接続される第２配線と、を備える発光素子が提供される。
上記発光素子において、前記絶縁層上に設けられ、前記第１配線と電気的に接続される第１接合電極と、前記絶縁層上に設けられ、前記第２配線と電気的に接続される第２接合電極と、を備えてもよい。
上記発光素子において、前記絶縁層は、前記発光層が発した光を反射する反射層を内部に含んでもよい。
上記発光素子において、前記第１平面導通部と前記第２平面導通部とは同一平面に設けられてもよい。
上記発光素子において、前記第１平面導通部と前記第２平面導通部とは異なる平面に設けられてもよい。
上記発光素子において、前記第１接合電極と前記第２接合電極とは同一平面に設けられてもよい。
上記発光素子において、前記第１半導体層とオーミック接触する第１オーミック電極と、前記第２半導体層とオーミック接触する透明導電層と、前記透明導電層とオーミック接触する第２オーミック電極と、備え、前記第１配線は、前記第１オーミック電極に電気的に接続され、前記第２配線は、前記第２オーミック電極に電気的に接続されてもよい。
上記発光素子において、前記第１オーミック電極を構成する材料と前記第２オーミック電極を構成する材料とが同一であってもよい。
上記発光素子において、前記第１配線を構成する材料と前記第２配線を構成する材料とが同一であってもよい。
上記発光素子において、前記第１接合電極及び前記第２接合電極はそれぞれ、平面視にて、切込みを有してもよい。
本発明に係る発光素子によれば、オーミック電極の配置又は形状が複雑であっても、接合電極の配置及び形状の設計の自由度が高い発光素子を提供できる。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の平面図である。 図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。 図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の概要図である。 図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の概要図である。 図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の概要図である。 図３は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の平面図である。 図４は、本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の平面図である。 図５は、ｐ電極の面積率と発光素子の全放射束との関係を示す図である。 図６は、ｎ電極の面積率と全放射束との関係を示す図である。 図７は、電流密度と外部量子効率との関係を示す図である。 図８（ａ）は発光素子１の発光時の状態を示す図であり、図８（ｂ）は発光素子１のｐ電極及びｎ電極の数を変えた変形例１に係る発光素子の発光時の状態を示す図であり、図８（ｃ）は、発光素子１のｐ電極及びｎ電極の数を変えた変形例２に係る発光素子の発光時の状態を示す図である。 図９Ａは、発光素子への投入電流に対する光度の予測値と実測値との比較を示す図である。 図９Ｂは、発光素子への投入電流に対する順方向電圧の予測値と実測値との比較を示す図である。 図１０Ａは、発光素子の変形例１への投入電流に対する光度の予測値と実測値との比較を示す図である。 図１０Ｂは、発光素子の変形例１への投入電流に対する順方向電圧の予測値と実測値との比較を示す図である。 図１１Ａは、発光素子の変形例２への投入電流に対する光度の予測値と実測値との比較を示す図である。 図１１Ｂは、発光素子の変形例２への投入電流に対する順方向電圧の予測値と実測値との比較を示す図である。
［第１の実施の形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の上面の概要を示し、図１Ｂ及び図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面の概要を示す。具体的に図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ線における発光素子の縦断面の概要を示し、図１Ｃは、図１ＡのＢ−Ｂ線における発光素子の縦断面の概要を示す。
（発光素子１の構成）
本発明の第１の実施の形態に係る発光素子１は、図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、一例として、Ｃ面（０００１）を有するサファイア基板１０と、サファイア基板１０上に設けられるバッファ層２０と、バッファ層２０上に設けられるｎ側コンタクト層２２と、ｎ側コンタクト層２２上に設けられるｎ側クラッド層２４と、ｎ側クラッド層２４上に設けられる発光層２５と、発光層２５上に設けられるｐ側クラッド層２６と、ｐ側クラッド層２６上に設けられるｐ側コンタクト層２８とを含む半導体積層構造を備える。
また、発光素子１は、ｐ側コンタクト層２８上に設けられる透明導電層３０と、透明導電層３０上の一部の領域に設けられる複数のｐ電極４０と、を備えている。さらに、発光素子１は、ｐ側コンタクト層２８から少なくともｎ側コンタクト層２２の表面まで複数のビアが形成され、当該ビアによって露出したｎ側コンタクト層２２に設けられる複数のｎ電極４２と、当該ビアの内面及び透明導電層３０上に設けられる下部絶縁層５０と、下部絶縁層５０の内部に設けられる反射層６０とを備える。尚、反射層６０は、ｐ電極４０及びｎ電極４２の上方を除く部分に設けられている。
さらに、透明導電層３０に接する下部絶縁層５０は、上下方向に延びるビア５０ａを各ｐ電極４０上に有するとともに、上下方向に延びるビア５０ｂを各ｎ電極４２上に有する。また、発光素子１は、下部絶縁層５０上にｐ配線７０とｎ配線７２とを備える。ｐ配線７０は、下部絶縁層５０上を平面方向に延びる第２平面導通部７００と、ビア５０ａを介して各ｐ電極４０に電気的に接続する複数の第２上下導通部７０２とを有する。また、ｎ配線７２は、下部絶縁層５０上を平面方向に延びる第１平面導通部７２０と、下部絶縁層５０のビア５０ｂ及び半導体積層構造に形成されたビアを介して各ｎ電極４２に電気的に接続する複数の第１上下導通部７２２とを有する。さらに、発光素子１は、ｐ配線７０及びｎ配線７２並びに透明導電層３０に接し、下部絶縁層５０上に設けられる上部絶縁層８０と、上部絶縁層８０に設けられたｐ側用の開口８０ａを介してｐ配線７０に電気的に接続するｐ側接合電極９０と、上部絶縁層８０に設けられたｎ側用の開口８０ｂを介してｎ配線７２に電気的に接続するｎ側接合電極９２とを備える。
本実施形態においては、ｐ配線７０の第２平面導通部７００、及びｎ配線７２の第１平面導通部７２０は、透明導電層３０に接する下部絶縁層５０の表面にそれぞれ形成されることにより、同一平面上に設けられる。また、本実施形態においては、ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２は、上部絶縁層８０の表面に形成されることにより、同一平面上に設けられる。
（半導体積層構造）
ここで、バッファ層２０と、ｎ側コンタクト層２２と、ｎ側クラッド層２４と、発光層２５と、ｐ側クラッド層２６と、ｐ側コンタクト層２８とはそれぞれ、III族窒化物化合物半導体からなる層である。III族窒化物化合物半導体は、例えば、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の四元系のIII族窒化物化合物半導体を用いることができる。
本実施形態においては、バッファ層２０は、ＡｌＮから形成される。そして、ｎ側コンタクト層２２とｎ側クラッド層２４とは、所定量のｎ型ドーパント（例えば、Ｓｉ）をそれぞれドーピングしたｎ−ＧａＮからそれぞれ形成される。また、発光層２５は、複数の井戸層と複数の障壁層とを含んで形成される多重量子井戸構造を有する。発光層２５は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等から形成される。さらに、ｐ側クラッド層２６とｐ側コンタクト層２８とは、所定量のｐ型ドーパント（例えば、Ｍｇ）をドーピングしたｐ−ＧａＮからそれぞれ形成される。
（透明導電層３０、ｐ電極４０、ｎ電極４２）
透明導電層３０は導電性酸化物から形成される。例えば、透明導電層３０は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）から形成することができる。また、ｐ電極４０を構成する材料とｎ電極４２を構成する材料とは同一である。なお、ｐ電極４０及びｎ電極４２を多層から形成する場合、それぞれの層構成は同一である。例えば、ｐ電極４０及びｎ電極４２は、Ｎｉ又はＣｒと、Ａｕと、Ａｌとを含む金属材料から形成される。特にｎ側コンタクト層２２がｎ型のＧａＮから形成される場合、ｎ電極４２は、ｎ側コンタクト層２２の側から接触層としてのＮｉ層を含んで形成することができ、又はｎ側コンタクト層２２の側から接触層としてのＣｒ層を含んで形成することができる。また、特に透明導電層３０が酸化物半導体から形成される場合、ｐ電極４０は、透明導電層３０の側から接触層としてのＮｉ層を含んで形成することができ、又は透明導電層３０の側から接触層としてのＣｒ層を含んで形成することができる。具体的にｐ電極４０及びｎ電極４２はそれぞれ、透明導電層３０側及びｎ側コンタクト層２２側から、Ｎｉ層とＡｕ層とＡｌ層とを含んで形成することができる。
また、本実施形態において複数のｐ電極４０は、透明導電層３０上に規則的に配置される。同様に複数のｎ電極４２は、発光素子１の厚さ方向において、複数のｐ電極４０が設けられる平面とは異なる平面上（例えば、露出したｎ側コンタクト層２２の表面）に規則的に配置される。具体的に、複数のｐ電極４０は、図１Ａに破線で示すように、平面視にて、発光素子１の一辺を第１の軸に設定すると共に、この一辺に直交する辺を第２の軸と仮定した場合に、第１の軸及び第２の軸に沿って周期的に配置される。本実施形態においては、複数のｐ電極４０は、所定の格子間隔を有する格子の格子点に対応する位置に配置される。また、複数のｎ電極４２は、平面視にて各ｐ電極４０と重ならない位置に周期的に配置される。本実施形態においては、複数のｎ電極４２は、平面視にて４つのｐ電極４０が４つの角に配置されてなる正方形であって、最小の正方形の面心位置（すなわち、当該正方形の２本の対角線の交点）にそれぞれ配置される。すなわち、各ｐ電極４０と各ｎ電極４２は、第１の軸及び第２の軸について互い違いの位置に配置されている。
なお、各ｐ電極４０及び各ｎ電極４２の平面視における形状は、略円状、略多角形状（例えば、三角形、四角形、五角形、六角形等）にすることができ、各電極の配置、発光素子１の平面視における全面積に占める発光領域の面積（以下、「発光面積」という）の割合の向上等を考慮して、各ｐ電極４０及び各ｎ電極４２の平面視におけるサイズを設定できる。例えば、ｐ電極４０及びｎ電極４２の平面視における形状を略円状にした場合、ｐ電極４０及びｎ電極４２の直径は、５μｍ以上５０μｍ以下にすることができる。特に、発光素子１の全面積に占める発光面積の割合を向上させることを目的として、ｎ電極４２の直径は、例えば、５μｍ以上３０μｍ以下程度にすることができ、より発光面積を増大させるべく５μｍ以上２０μｍ以下にすることもできる。
（下部絶縁層５０、反射層６０）
下部絶縁層５０は、発光層２５が発する光を反射する反射層６０を含んで形成される。下部絶縁層５０は、例えば、絶縁材料である二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から主として形成される。また、反射層６０は、発光層２５が発する光を反射する金属材料、例えば、Ａｌから形成される。
（ｐ配線７０、ｎ配線７２）
ｐ配線７０及びｎ配線７２はそれぞれ、主としてＴｉ、Ａｕ、Ａｌを含んで形成することができる。例えば、ｐ配線７０及びｎ配線７２はそれぞれ、下部絶縁層５０に接する側からＴｉ層、Ａｕ層、Ａｌ層をこの順に含んで形成することができる。
また、ｐ配線７０は、図１Ａに示すように、発光素子１の平面視にて、発光素子１の外周近傍であって、当該外周に沿って設けられる外周部７０ａを有する。さらにｐ配線７０は、外周部７０ａの一辺から当該一辺の対辺に向けて伸びる複数のｐ側細線部７０ｂを有する。複数のｐ側細線部７０ｂは、長手方向において上記対辺に接しない範囲でそれぞれ略同一の長さを有しており、幅方向において略等しい間隔をおいて配置される。
また、ｎ配線７２は、発光素子１の平面視にて、外周部７０ａの内側であって、複数のｐ側細線部７０ｂと垂直な方向に伸び、外周部７０ａの上記対辺近傍に配置される辺部７２ａと、辺部７２ａから上記一辺に向けて伸びる複数のｎ側細線部７２ｂとを有する。複数のｎ側細線部７２ｂはそれぞれ、外周部７０ａとｐ側細線部７０ｂとの間、若しくは２本のｐ側細線部７０ｂの間に、平面視にて、最近接の外周部７０ａ及び最近接のｐ側細線部７０ｂからの距離が略同一になる位置に配置される。したがって、複数のｐ側細線部７０ｂと複数のｎ側細線部７２ｂとは、平面視にて、互い違いに配置される。
そして、図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、平面方向において第１平面導通部７００と第２平面導通部７２０との間に上部絶縁層８０が配置されることにより、ｐ配線７０とｎ配線７２とは電気的に分離される。そして、化合物半導体層にオーミック接触するｐ電極４０及びｎ電極４２とは別に、下部絶縁層５０と上部絶縁層８０との間にｐ配線７０及びｎ配線７２とを設けることにより、オーミック電極機能と配線機能とを分離している。なお、上部絶縁層８０は、透明導電層３０に接する下部絶縁層５０と同様の材料から形成することができ、下部絶縁層５０と一体的に絶縁層をなしている。
（ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２）
ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２はそれぞれ、共晶材料、例えば、ＡｕＳｎを含んで形成することができる。ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２はそれぞれ、平面視にて略長方形状に形成される。ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２の平面視におけるサイズは、例えば、ｐ側接合電極９０の面積をｎ側接合電極９２の面積より大きくすることができる。なお、ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２の平面視における形状、及び面積は、発光素子１の特性評価時に用いる測定装置のプローブとの接触のさせ方、及び／又は発光素子１を実装する搭載基板等に応じて適宜変更することができる。
また、ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２は、例えば、真空蒸着法（例えば、電子ビーム蒸着法、又は抵抗加熱蒸着法等）、スパッタ法、めっき法、スクリーン印刷法等により形成することができる。なお、ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２は、ＡｕＳｎ以外の共晶材料からなる共晶はんだ又はＳｎＡｇＣｕ等の鉛フリーはんだから形成することもできる。さらに、ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２は、ｐ配線７０及びｎ配線７２の側から、バリア層とはんだ層とを有して形成することができる。
具体的に、バリア層は、ｐ配線７０及びｎ配線７２に接触する第１のバリア層と、第１のバリア層上に形成され、はんだ層を構成する材料の拡散を抑制する第２のバリア層とを含んで形成することができる。第１のバリア層は、ｐ配線７０を構成する材料及びｎ配線７２を構成する材料に対してオーミック接触すると共に密着性が良好な材料から形成され、例えば、Ｔｉから主として形成される。また、第２のバリア層は、はんだ層を構成する材料がｐ配線７０及びｎ配線７２側に拡散することを抑制することのできる材料から形成され、例えば、Ｎｉから主として形成される。なお、ｐ側接合電極９０を構成する材料と、ｎ側接合電極９２を構成する材料とを同一にすることができる。
以上のように構成された発光素子１は、青色領域の波長の光を発するフリップチップ型の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。例えば、発光素子１は、順電圧が３Ｖ程度で、順電流が３５０ｍＡの場合に、ピーク波長が４５５ｎｍ程度の光を発する。また、発光素子１は平面視にて略四角形状に形成される。発光素子１の平面寸法は、例えば、縦寸法及び横寸法がそれぞれ略１０００μｍである。
なお、サファイア基板１０の上に設けられるバッファ層２０からｐ側コンタクト層２８までの各層は、例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD）、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy : MBE）、ハライド気相エピタキシー法（Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE）等によって形成することができる。ここで、バッファ層２０がＡｌＮから形成されるものを例示したが、バッファ層２０はＧａＮから形成することもできる。また、発光層３０の量子井戸構造は、多重量子井戸構造でなく、単一量子井戸構造、歪量子井戸構造にすることもできる。
また、下部絶縁層５０及び上部絶縁層８０は、酸化チタン（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等の金属酸化物、若しくはポリイミド等の電気絶縁性を有する樹脂材料から形成することもできる。そして、反射層６０は、Ａｇから形成することもでき、Ａｌ又はＡｇを主成分として含む合金から形成することもできる。また、反射層６０は、屈折率の異なる２つの材料の複数の層から形成される分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector : DBR）であってもよい。
さらに、発光素子１は、紫外領域、近紫外領域、又は緑色領域にピーク波長を有する光を発するＬＥＤであってもよいが、ＬＥＤが発する光のピーク波長の領域はこれらに限定されない。なお、他の変形例においては、発光素子１の平面寸法はこれに限られない。例えば、発光素子１の平面寸法を縦寸法及び横寸法がそれぞれ３００μｍとなるよう設計することもでき、縦寸法と横寸法とが互いに異なるようにすることもできる。また、この構造を用いることによって、縦寸法、及び／又は横寸法が１００μｍ程度になるような小型の発光素子１を形成することもできる。
また、本実施形態においては、ｐ配線７０の第１平面導通部７００とｎ配線７２の第２平面導通部７２０とは同一平面上に設けたが、これらを異なる平面上に設けることもできる。例えば、透明導電層３０に接する下部絶縁層５０の厚さを変えることにより、ｐ配線７０が設けられる平面よりｎ配線７２が設けられる平面を高くする、若しくは低くすることができる。これにより、平面視にて、第１平面導通部７００と第２平面導通部７２０が重なるように配置することができ、素子の設計自由度が向上する。さらに、ｐ電極４０及びｎ電極４２の平面視におけるサイズは上記例に限られない。そして、ｐ電極４０及びｎ電極４２の配置も上記例に限られない。
（発光素子１の製造工程）
図２Ａから図２Ｃは、第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の一例を示す。具体的に、図２Ａの（ａ）は、ビアを形成するためのエッチングが施される前の縦断面図である。図２Ａの（ｂ）は、ビアを形成するためのエッチングが施された後の縦断面図である。また、図２Ａの（ｃ）は、ｐ電極及びｎ電極が形成された状態の縦断面図である。なお、図２Ａから図２Ｃは、図１ＡのＣ−Ｃ線における断面から見た発光素子の製造工程の一例である。
まず、サファイア基板１０を準備して、このサファイア基板１０の上に、ｎ型半導体層と、発光層と、ｐ型半導体層とを含む半導体積層構造を形成する。具体的には、サファイア基板１０の上に、バッファ層２０と、ｎ側コンタクト層２２と、ｎ側クラッド層２４と、発光層２５と、ｐ側クラッド層２６と、ｐ側コンタクト層２８とをこの順にエピタキシャル成長してエピタキシャル成長基板を形成する（半導体積層構造形成工程）。続いて、ｐ側コンタクト層２８上の全面に透明導電層３０を形成する（図２Ａ（ａ）、透明導電層形成工程）。本実施形態において透明導電層３０はＩＴＯから形成される。透明導電層３０は、例えば、真空蒸着法を用いて形成される。なお、透明導電層３０は、スパッタリング法、ＣＶＤ法、又はゾルゲル法等により形成することもできる。
続いて、フォトレジストによるマスクを透明導電層３０上にフォトリソグラフィー技術を用いて形成する。そして、マスクが形成された部分を除く領域について、透明導電層３０、及びｐ側コンタクト層２８からｎ側コンタクト層２２の表面までエッチングした後、マスクを除去する（ビア形成工程）。これにより、透明導電層３０の表面からｎ側コンタクト層２２までが除去されて形成されるビア５を有する透明導電層付基板が形成される（図２Ａ（ｂ））。なお、ビア形成工程においては、マスクが形成されていない部分のｎ側クラッド層２４からｐ側コンタクト層２８までを完全に除去することを目的として、ｎ側コンタクト層２２の一部までエッチングすることもできる。
この後、ｐ電極４０を形成する領域と、ビア５とを除く領域にフォトレジストによりマスク２００を形成する。そして、真空蒸着法を用いて、ｐ電極４０及びｎ電極４２を形成する（図２Ａ（ｃ）、電極形成工程）。本実施形態において、ｐ電極４０を構成する材料と、ｎ電極４２を構成する材料とは同一材料である。すなわち、マスク２００が形成されていない透明導電層３０の表面と、ビア５により露出しているｎ側コンタクト層２２の表面とに電極材料を同時に真空蒸着することにより同一材料からなるｐ電極４０及びｎ電極４２を形成する。なお、ｐ電極４０及びｎ電極４２を形成した後、透明導電層３０とｐ電極４０との間、及びｎ側コンタクト層２２とｎ電極４２との間のオーミック接触と密着性とを確保すべく、所定の温度、所定の雰囲気下で、所定の時間の熱処理を施すこともできる。また、ｐ電極４０を構成する材料とｎ電極４２を構成する材料とを異なる材料にすることもできる。この場合、ｐ電極４０とｎ電極４２とは同時ではなく、それぞれ別々に形成される。
図２Ｂ（ａ）は、第１絶縁層及び反射層を形成した後の縦断面図である。また、図２Ｂ（ｂ）は、第２の絶縁層を形成した後の縦断面図である。さらに、図２Ｂ（ｃ）は、ビアを形成した後の縦断面図である。
まず、ｐ電極４０及びｎ電極４２を覆う第１絶縁層５２を形成する。第１絶縁層５２は、真空蒸着法により形成する（第１絶縁層形成工程）。そして、第１絶縁層５２の上であってｐ電極４０及びｎ電極４２の上方を除く所定の領域に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて反射層６０を形成する（図２Ｂ（ａ）、反射層形成工程）。
次に、反射層６０の上側と、反射層６０が形成されていない第１絶縁層５２の上側とに、真空蒸着法を用いて第２絶縁層５４を形成する（図２Ｂ（ｂ）、第２の絶縁層形成工程）。これにより反射層６０が第２絶縁層５４により被覆される。そして、第１絶縁層５２と第２絶縁層５４とから、本実施形態に係る下部絶縁層５０が構成される。
続いて、下部絶縁層５０におけるｐ電極４０の上側部分の少なくとも一部と、ｎ電極４２の上側部分とを、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて除去する。ここで、ｎ電極４２上のビア５０ｂの形成においては、ｎ側クラッド層２４、発光層２５、ｐ側クラッド層２６、ｐ側コンタクト層２８、及び拡散電極３０の側面に下部絶縁層５０が残るようにビア５０ｂを形成する。これにより、ｐ電極４０の上にビア５０ａを有すると共に、ｎ電極４２の上にビア５０ｂを有するビア付基板が形成される（図２Ｂ（ｃ）、ビア形成工程）。
図２Ｃ（ａ）は、ｐ配線及びｎ配線を形成した後の縦断面図である。また、図２Ｃ（ｂ）は、上部の絶縁層を形成した後の縦断面図である。さらに、図２Ｃ（ｃ）は、ｐ側接合電極及びｎ側接合電極を形成した後の縦断面図である。
続いて、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ電極４０上のビア５０ａの内側を充填する第２上下導通部７０２と、透明導電層３０に接する下部絶縁層５０の表面の一部に設けられる第２平面導通部７００を有するｐ配線７０、及び、ｎ電極４２上のビア５０ｂの内側を充填する第１上下導通部７２２と、透明導電層３０に接する下部絶縁層５０の表面の一部であって、ｐ配線７０が設けられる領域とは異なる領域に設けられる第１平面導通部７２０とを有するｎ配線７２を同時に形成する（図２Ｃ（ａ）、配線形成工程）。なお、ｐ配線７０とｎ配線７２とをそれぞれ別材料から形成することもでき、この場合、ｐ配線７０とｎ配線７２とは同時ではなく、別個独立に形成される。
次に、ｐ配線７０及びｎ配線７２、具体的には、第１平面導通部７２０及び第２平面導通部７００を覆う上部絶縁層８０を真空蒸着法により形成する（図２Ｃ（ｂ）、上部絶縁層形成工程）。上部絶縁層８０は、透明導電層３０に接する下部絶縁層５０と同様の絶縁材料、例えば、ＳｉＯ２から形成することができる。続いて、上部絶縁層８０の表面にフォトレジストによりマスクを設け、ｐ配線７０の表面の一部を露出させるビア８０ａと、ｎ配線７２の表面の一部を露出させるビア８０ｂとを有する上部絶縁層８０を形成する。そして、フォトリソグラフィー法及び真空蒸着法を用い、第２平面導通部７００の表面の一部を露出させるビア８０ａを介してｐ配線７０に電気的に接続するｐ側接合電極９０と、第１平面導通部７２０の表面の一部を露出させるビア８０ｂを介してｎ配線７２に電気的に接続するｎ側接合電極９２とを同時に形成する（図２Ｃ（ｃ）、接合電極形成工程）。なお、ｐ側接合電極９０とｎ側接合電極９２とをそれぞれ別材料から形成することもでき、この場合、ｐ側接合電極９０とｎ側接合電極９２とは同時ではなく、別個独立に形成される。
なお、接合電極形成工程においては、まず、第２平面導通部７００の表面の一部を露出させるビア８０ａと第１平面導通部７２０の表面の一部を露出させるビア８０ｂとにバリア層を同時に形成した後（バリア層形成工程）、形成したバリア層上にはんだ層を形成することにより（はんだ層形成工程）、ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２を形成することもできる。また、ｐ側接合電極９０とｎ側接合電極９２とはそれぞれ同時ではなく、別個独立に形成してもよい。これにより、図２Ｃ（ｃ）に示す発光素子１が製造される。
なお、ｎ電極４２、及びｐ電極４０はそれぞれ、スパッタリング法により形成することもできる。また、透明導電層３０に接する下部絶縁層５０及び上部絶縁層８０は、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition : CVD）により形成することもできる。そして、以上の工程を経て形成された発光素子１は、導電性材料の配線パターンが予め形成されたセラミック等から構成される基板の所定の位置に、フリップチップボンディングにより実装される。そして、基板に実装された発光素子１を、エポキシ樹脂又はガラス等の封止材で一体として封止することにより、発光素子１を発光装置としてパッケージ化できる。
（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態に係る発光素子１は、化合物半導体にオーミック接触する電極（すなわち、ｐ電極４０及びｎ電極４２）と電極に電流を供給する配線（すなわち、ｐ配線７０及びｎ配線７２）とを、透明導電層３０に接する下部絶縁層５０により発光素子１の厚さ方向に分離して形成することができる。これにより、複数のｐ電極４０及び複数のｎ電極４２をそれぞれ独立して半導体層上に設けることができ、かつ、各ｐ電極４０上に位置するビア５０ａを介して各ｐ電極４０をｐ配線７０により相互に電気的に接続させ、各ｎ電極４２上に位置するビア５０ｂを介して複数のｎ電極４２を相互に電気的に接続させることができる。したがって、本実施形態に係る発光素子１によれば、ｐ電極４０及びｎ電極４２の形状及び配置によらず、ｐ側接合電極９０とｎ側接合電極９２との形状及び配置を自由に設計できる。
例えば、本実施形態に係る発光素子１においては、ｎ電極４２の形状を微細な形状にすると共に、ｎ側コンタクト層２２の表面に複数のｎ電極４２を分散させて配置することができるので、順方向電圧の増加を抑制して発光層２５への電流の分散の均一化を図ることができ、発光素子１の発光面積を発光素子１の平面視における全面積の７０％以上にすることができる。
さらに、本実施形態に係る発光素子１においては、平面視にて、複数のｎ電極４２それぞれに最近接する複数のｐ電極４０までの距離を統一させることができる。これにより、ｐ電極４０及びｎ電極４２の面積と、ｐ電極４０とｎ電極４２との直線距離等とから、発光素子１の光度と順方向電圧とを精度良く予測することができるので、発光素子１の使用環境に応じて最適な電極設計をすることが可能になる。
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の上面の概要を示す。
第２の実施の形態に係る発光素子２は、第１の実施の形態に係る発光素子１とはｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２の形状が異なる点を除き、略同一の構成及び機能を有する。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
第２の実施の形態に係る発光素子２が備えるｐ側接合電極９０は平面視にてｐ側切込９０ａを有して形成され、ｎ側接合電極９２は平面視にてｎ側切込９２ａを有して形成される。例えば、ｐ側接合電極９０は、複数のｐ側切込９０ａを長手方向において互い違いに有することにより、蛇行した形状を有して形成される。同様に、ｎ側接合電極９２は、複数のｎ側切込９２ａを長手方向において互い違いに有することにより、蛇行した形状を有して形成される。発光素子２は、ｐ側切込９０ａを有するｐ側接合電極９０とｎ側切込９２ａを有するｎ側接合電極９２とを備えるので、所定の基板等に発光素子２を搭載する場合に、ｐ側接合電極９０及びｎ側接合電極９２の融解に伴う気泡を、ｐ側切込９０ａ及びｎ側切込９２ａから外部へ逃がすことができる。
［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る発光素子の上面の概要を示す。なお、図４においては、説明の便宜上、ｐ側接合電極及びｎ側接合電極の図示を省略している。
第３の実施の形態に係る発光素子３は、第１の実施の形態に係る発光素子１とはｐ配線及びｎ配線の形状が異なる点を除き、略同一の構成及び機能を有する。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。
第３の実施の形態において、ｐ配線７１は、発光素子３の平面視にて、発光素子３の外周近傍に当該外周に沿って設けられる外周部７１ａを有する。さらに、ｐ配線７１は、外周部７１ａの一辺の中点付近から当該一辺の対辺に向けて伸び、発光素子３の一辺の１／４程度の長さを有するｐ側連結部７１ｂと、連結部７１ｂの末端に接続され、外周部７１ａの上記一辺に平行な方向に伸び、上記一辺より短い中間部７１ｃと、中間部７１ｃの両端から上記一辺に垂直な方向であって上記一辺から遠ざかる方向に連結部７１ｂの長さの１／２程度の長さを有して伸びるｐ側端部７１ｄとを有する。
また、ｎ配線７３は、上記一辺に垂直な方向に沿って伸び、外周部７１ａの一辺の長さよりも短い長さであって外周部７１ａとｐ側端部７１ｄとの間に設けられる辺部７３ａと、辺部７３ａの両端から上記一辺に水平な方向であって、発光素子３の中心側に伸びるｎ側端部７３ｂと、辺部７３ａの中心付近から上記一辺に水平な方向であって、発光素子３の中心側に伸びるｎ側連結部７３ｃと、ｎ側連結部７３ｃの末端に接続され、発光素子３の中心付近を囲む形状を有して設けられる中心部７３ｄとを有する。
複数のｐ電極４０は、ｐ配線７１の直下に対応する透明導電層３０上に所定の間隔をおいて配列する。同様に、複数のｎ電極４２は、ｎ配線７３の直下に対応するｎ側コンタクト層２２上に所定の間隔をおいて配列する。
［全放射束、順方向電圧の予測］
図５は、ｐ電極の面積率と発光素子の全放射束との関係を示し、図６は、ｎ電極の面積率と全放射束との関係を示す。また、図７は、電流密度と外部量子効率との関係を示す。
第１の実施の形態に示す発光素子１において、複数のｐ電極４０の面積の合計が発光素子１の平面視における全面積に占める割合（以下、「ｐ電極面積率」という）を様々に変えた場合の発光素子１の全放射束と（図５参照）、複数のｎ電極４２の面積の合計が発光素子１の平面視における全面積に占める割合（以下、「ｎ電極面積率」という）を様々に変えた場合の発光素子１の全放射束（図６参照）とを測定した。
図５及び図６を参照すると分かるように、ｐ電極面積率、ｎ電極面積率の増加に伴い、発光素子１の全放射束が直線的に低下した。また、図７を参照すると分かるように、電流密度の二次関数に従って外部量子効率が変動することが示された。
以上のことから、ｐ電極面積率、ｎ電極面積率、外部量子効率、発光波長、投入電流値に基づいて、発光素子１の全放射束を精度良く予測できること、ｐ電極面積率、及び／又はｎ電極面積率を調整することにより所望の全放射束の発光素子１が得られることが示された。また、所望の順方向電圧の発光素子１を得ることもできるとの知見も得た。すなわち、ｐ電極４０の接触抵抗、ｐ電極４０とｎ電極４２との間の抵抗、ｎ電極４２の接触抵抗、並びにｐ配線７０及びｎ配線７２の抵抗から、発光素子１の順方向電圧を予測することができるとの知見が得られた。
図８（ａ）は、第１の実施の形態に係る発光素子１の発光時の状態を示す図であり、図８（ｂ）は、発光素子１のｐ電極及びｎ電極の数を変えた変形例１に係る発光素子の発光時の状態を示す図であり、図８（ｃ）は、発光素子１のｐ電極及びｎ電極の数を変えた変形例２に係る発光素子の発光時の状態を示す図である。
図９Ａは、発光素子１への投入電流に対する光度の予測値と実測値との比較を示し、図９Ｂは、発光素子１への投入電流に対する順方向電圧の予測値と実測値との比較を示す。
発光素子１に３５０ｍＡの電流を注入した場合（但し、発光波長は４５６ｎｍ）、光度は３４４ｍＷであり、順方向電圧は３．１４Ｖであると予測された。実際に測定したところ、３５０ｍＡの電流を注入した場合における光度は３５３．３ｍＷで、順方向電圧は３．１３Ｖであり、予測とよく一致していた。その他の電流値についても、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、予測と実測とはよく一致していた。なお、図９Ｂにおいて投入電流が１０００ｍＡの場合に予測と実測とが多少ずれているが、このずれは大電流を投入したことによって発生した熱の影響であると考えられる。
図１０Ａは、発光素子１の変形例１への投入電流に対する光度の予測値と実測値との比較を示し、図１０Ｂは、発光素子１の変形例１への投入電流に対する順方向電圧の予測値と実測値との比較を示す。
発光素子１の変形例１に３５０ｍＡの電流を注入した場合（但し、発光波長は４５５．７ｎｍ）、光度は３３５ｍＷであり、順方向電圧は３．０８Ｖであると予測された。実際に測定したところ、３５０ｍＡの電流を注入した場合における光度は３４４．６ｍＷで、順方向電圧は３．０６Ｖであり、予測とよく一致していた。その他の電流値についても、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、予測と実測とはよく一致していた。なお、図１０Ｂにおいて投入電流が１０００ｍＡの場合に予測と実測とが多少ずれているが、このずれは大電流を投入したことによって発生した熱の影響であると考えられる。
図１１Ａは、発光素子１の変形例２への投入電流に対する光度の予測値と実測値との比較を示し、図１１Ｂは、発光素子１の変形例２への投入電流に対する順方向電圧の予測値と実測値との比較を示す。
発光素子１の変形例２に３５０ｍＡの電流を注入した場合（但し、発光波長は４５５．４ｎｍ）、光度は３５２ｍＷであり、順方向電圧は３．２９Ｖであると予測された。実際に測定したところ、３５０ｍＡの電流を注入した場合における光度は３６２ｍＷで、順方向電圧は３．２１Ｖであり、予測とよく一致していた。その他の電流値についても、図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、予測と実測とはよく一致していた。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
１、２、３ 発光素子
５ ビア
１０ サファイア基板
２０ バッファ層
２２ ｎ側コンタクト層
２４ ｎ側クラッド層
２５ 発光層
２６ ｐ側クラッド層
２８ ｐ側コンタクト層
３０ 透明導電層
４０ ｐ電極
４２ ｎ電極
５０ 絶縁層
５０ａ、５０ｂ ビア
５２ 第１絶縁層
５４ 第２絶縁層
６０ 反射層
７０ ｐ配線
７０ａ 外周部
７０ｂ ｐ側細線部
７１ ｐ配線
７１ａ 外周部
７１ｂ ｐ側連結部
７１ｃ 中間部
７１ｄ ｐ側端部
７２ ｎ配線
７２ａ 辺部
７２ｂ ｎ側細線部
７３ ｎ配線
７３ａ 辺部
７３ｂ ｎ側端部
７３ｃ ｎ側連結部
７３ｄ 中心部
８０ 絶縁層
８０ａ、８０ｂ ビア
９０ ｐ側接合電極
９２ ｎ側接合電極
９０ａ ｐ側切込
９２ａ ｎ側切込
２００ マスク
７００ 第２平面導通部
７０２ 第２上下導通部
７２０ 第１平面導通部
７２２ 第１上下導通部

Claims (10)

  1. 第１導電型の第１半導体層と、発光層と、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層とを含む窒化物化合物半導体からなる半導体積層構造と、
    前記半導体積層構造上に設けられる絶縁層と、
    前記絶縁層、前記発光層及び前記第２半導体層の内部を上下方向に延びる第１上下導通部と、前記絶縁層の内部を平面方向に延びる第１平面導通部とを有し、前記第１半導体層と電気的に接続される第１配線と、
    前記絶縁層の内部を上下方向に延びる第２上下導通部と、前記絶縁層の内部を平面方向に延びる第２平面導通部とを有し、前記第２半導体層と電気的に接続される第２配線と、を備える発光素子。
  2. 前記絶縁層上に設けられ、前記第１配線と電気的に接続される第１接合電極と、
    前記絶縁層上に設けられ、前記第２配線と電気的に接続される第２接合電極と、を備える請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記絶縁層は、前記発光層が発した光を反射する反射層を内部に含む請求項２に記載の発光素子。
  4. 前記第１平面導通部と前記第２平面導通部とは同一平面に設けられる請求項３に記載の発光素子。
  5. 前記第１平面導通部と前記第２平面導通部とは異なる平面に設けられる請求項３に記載の発光素子。
  6. 前記第１接合電極と前記第２接合電極とは同一平面に設けられる請求項４又は５に記載の発光素子。
  7. 前記第１半導体層とオーミック接触する第１オーミック電極と、
    前記第２半導体層とオーミック接触する透明導電層と、
    前記透明導電層とオーミック接触する第２オーミック電極と、備え、
    前記第１配線は、前記第１オーミック電極に電気的に接続され、
    前記第２配線は、前記第２オーミック電極に電気的に接続される請求項６に記載の発光素子。
  8. 前記第１オーミック電極を構成する材料と前記第２オーミック電極を構成する材料とが同一である請求項７に記載の発光素子。
  9. 前記第１配線を構成する材料と前記第２配線を構成する材料とが同一である請求項８に記載の発光素子。
  10. 前記第１接合電極及び前記第２接合電極はそれぞれ、平面視にて、切込みを有する請求項９に記載の発光素子。
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