JP2012227512A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子の順方向電圧の上昇を抑制してライフ特性を改善する。
【解決手段】第一半導体層と、第一半導体層と異なる導電性を有する第二半導体層と、第一半導体層及び第二半導体層の間に設けられる活性領域と、第一半導体層上に設けられる透光性導電層１３と、透光性導電層１３の上に設けられる反射構造２０と、反射構造２０の上に設けられ、第一半導体層と電気的に接続される第一電極とを備える半導体発光素子であって、反射構造２０が、少なくとも反射層１６を有し、透光性導電層１３と反射構造２０との間に、中間層１７を介在させており、中間層１７を、反射層１６よりもイオン化傾向の大きい材料で構成している。これにより、半導体発光素子の使用の経過と共に順方向電圧が上昇する事態を、透光性導電層１３と反射構造２０との間に介在された中間層１７によって抑制でき、信頼性及び耐久性を向上できる利点が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

半導体発光素子は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、半導体素子である発光素子は球切れ等の心配がない。さらに初期駆動特性が優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。このような優れた特性を有するため、発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下「ＬＥＤ」ともいう。）、レーザーダイオード（Laser Diode：以下「ＬＤ」ともいう。）等の半導体発光素子は、各種の光源として利用されている。特に近年は、蛍光灯に代わる照明用の光源として、より低消費電力で長寿命の次世代照明として注目を集めており、更なる発光出力の向上及び発光効率の改善が求められている。

本発明者らは、発光出力の取り出しを高めるべく、電極面を実装面と対向させるフリップチップ構成の発光素子において、反射膜の反射能力を改善させた発光素子を開発した（特許文献１）。この文献に開示する発光素子は、図８（ａ）の断面図及び図８（ｂ）の拡大図に示すように、発光層８を有する半導体構造１１と、半導体構造１１の一方の主面側に設けられた光取り出し面１８と、光取り出し面１８と対向する他方の主面側に備えられ、半導体構造１１に電気的に接続される電極３とを有する。この発光素子は、半導体構造１１と電極３との間に反射構造２０が形成されている。また反射構造２０は、半導体構造１１上に形成される反射層１６と、この反射層１６上であって複数の誘電体より構成される誘電体多層膜４と、を有している。ここで反射層１６の屈折率は、半導体構造１１の屈折率よりも小さく、かつ反射構造２０の反射スペクトルの中心波長が、発光層８からの発光ピーク波長よりも長波長である。この構成によって、耐候性に優れ、さらに高い反射能力を有すると共に薄膜化可能な反射構造が実現される。

特開２００９−１６４４２３号公報 特表２００９−５３７９８２号公報

一方で、上述の通り半導体発光素子は電球等と比べ球切れ等の心配がないことから、その特性を生かし、メンテナンスフリーに近付けるべく耐久性や信頼性の更なる向上も求められている。しかしながら、半導体発光素子は使用を継続するにつれて、動作時の順方向電圧が徐々に上昇していくという問題がある。順方向電圧が上昇すると、損失が高くなり発熱量も大きくなる。半導体発光素子においては、放熱性は重要な問題であり、発熱量が大きくなると、製品寿命にも大きく関わる。一般には、順方向電圧が１０％以上上昇すると故障と判定される。特に近年は消費電力の低減も求められており、このような観点からも駆動電圧の増大は望ましくない。

本発明は、従来のこのような問題点を解消するためになされたものである。本発明の主な目的は、ライフ特性に優れ、順方向電圧の上昇を抑制可能とした半導体発光素子を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の第１の半導体発光素子は、第一半導体層と、前記第一半導体層と異なる導電性を有する第二半導体層と、前記第一半導体層及び第二半導体層の間に設けられる活性領域と、前記第一半導体層上に設けられる透光性導電層１３と、前記透光性導電層１３の上に設けられる反射構造２０と、前記反射構造２０の上に設けられ、前記第一半導体層と電気的に接続される第一電極と、を備える半導体発光素子であって、前記反射構造２０が、少なくとも反射層１６を有し、前記透光性導電層１３と反射構造２０との間に、中間層１７を介在させており、前記中間層１７を、前記反射層１６よりもイオン化傾向の大きい材料で構成できる。これにより、半導体発光素子の使用の経過と共に順方向電圧が上昇する事態を、透光性導電層と反射構造との間に介在された中間層によって抑制でき、信頼性及び耐久性を向上できる利点が得られる。特に透光性導電層を酸化され難くして、抵抗すなわちＶｆの上昇を抑制できる。

また第２の半導体発光素子は、前記反射構造２０が、前記反射層１６上であって複数の誘電体より構成される誘電体多層膜４を有しており、前記誘電体多層膜４の膜厚を、前記反射層の膜厚よりも小さくできる。

さらに第３の半導体発光素子は、前記反射層１６をＳｉＯ₂とできる。

さらにまた第４の半導体発光素子は、前記透光性導電層１３をＩＴＯとできる。

さらにまた第５の半導体発光素子は、前記中間層１７を、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂のいずれかとできる。これにより、イオン化傾向の大きい材料を透光性導電層の上面に位置させることで、透光性導電層を酸化され難くし、抵抗すなわちＶｆの上昇を抑制でき、阻止の寿命を改善して信頼性を向上できる。

さらにまた第６の半導体発光素子は、前記中間層１７の膜厚を、２７０Å〜５４０Åとできる。これにより、初期特性とライフ特性をバランスよく維持できる。
透光性導電層のシート抵抗を抑制できる。

さらにまた第７の半導体発光素子は、前記中間層１７を、前記誘電体多層膜４を構成する層と同一の材質で構成できる。これにより、中間層の積層に際して、この上に積層される反射構造と同一の材料とすることで、製造時に新たなターゲット材を要する必要をなくし、製造コストを安価にできる利点が得られる。

さらにまた第８の半導体発光素子は、前記中間層１７を、Ｎｂ₂Ｏ₅とできる。

さらにまた第９の半導体発光素子は、前記第二半導体層と電気的に接続される第二電極を備え、前記第一電極及び第二電極が、半導体発光素子の第一主面側に設けられ、前記第一主面を、実装面とし、前記第一主面と対向する第二主面側を、光取り出し面とできる。これにより、フリップチップ構造の半導体発光素子において、順方向電圧の上昇抑制を図ることができる。

さらにまた第１０の半導体発光素子は、前記第二半導体層と電気的に接続される第二電極を備え、前記第一電極及び第二電極が、半導体発光素子の第一主面側に設けられ、前記第一主面を、光取り出し面とし、前記第一主面と対向する第二主面側を、実装面とすることができる。これにより、フェイスアップ構造の半導体発光素子において、順方向電圧の上昇抑制を図ることができる。
さらにまた第１１の半導体発光素子は、第一半導体層と、前記第一半導体層と異なる導電性を有する第二半導体層と、前記第一半導体層及び第二半導体層の間に設けられる活性領域と、前記第一半導体層上に設けられる透光性導電層１３と、前記透光性導電層１３の上に設けられる反射構造２０と、前記反射構造２０の上に設けられ、前記第一半導体層と電気的に接続される第一電極と、を備える半導体発光素子であって、前記透光性導電層１３と反射構造２０との間に、中間層１７を介在させており、前記中間層１７を、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＮのいずれかとすることができる。

実施の形態１に係る発光装置の概略断面図である。 図２（ａ）は、実施の形態１に係る発光素子の断面図であり、図２（ｂ）は、（ａ）における拡大断面図である。 透光性導電層の上面に誘電体多層膜を設けた例を示す略平面図である。 発光装置の斜視図である。 反射層の膜厚と光束相対値の変化を示すグラフである。 シェア試験に用いたサンプルの構成を示す断面図である。 実施例１と比較例１とでシェア試験を行った結果を示すグラフである。 図８（ａ）は従来の半導体発光素子を示す断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の一部拡大図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための、半導体発光素子を例示するものであって、本発明は、半導体発光素子を以下のものに特定しない。さらに、本明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」、及び「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。特に実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

また、本明細書において、層上等でいう「上」とは、必ずしも上面に接触して形成される場合に限られず、離間して上方に形成される場合も含んでおり、層と層の間に介在層が存在する場合も包含する意味で使用する。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施の形態１）

本発明の実施の形態１に係る発光装置１を図１の断面図に示す。この図の発光装置１に搭載される発光素子１０は、窒化物半導体素子の一例であるＬＥＤチップを採用しており、このＬＥＤチップを配線基板９の一であるサブマウント上にフリップチップ実装している。フリップチップ実装とは、電極形成面と対向する成長基板５側を主光取出し面とする実装方式であり、フェイスダウン実装とも呼ばれる。図１の発光素子１０は、フリップチップ実装であることを示すため、上下逆に表示している。

図２は、図１の発光素子１０であって、フリップチップ実装する前の状態、すなわち成長基板５を最下層にして、その上方に半導体構造１１を積層した状態を示す概略断面図である。実際の発光装置の製造工程では、成長基板５の上面に各層が積層された窒化物半導体素子を上下逆にして図１のように実装する。以下、図２を用いて発光素子１０の概略を説明する。また、図１の発光素子１０において、図２に示す発光素子１０と同様の構成には同一の符号を付して適宜説明を省略する。

発光素子１０は、発光層８を有する半導体構造１１を備える。図２の発光素子１０では、対向する一対の主面を有する成長基板５の一方の主面上に、半導体構造１１としての窒化物半導体層を積層して形成されている。具体的に、発光素子１０は、成長基板５の上面側に、第１の窒化物半導体層６、活性層８、第２の窒化物半導体層７とを順に備える窒化物半導体層１１が積層されている。また、第１の窒化物半導体層６及び第２の窒化物半導体層７には、電気的に接続される第１の電極３Ａ及び第２の電極３Ｂを各々備える。発光素子１０は、第１の電極３Ａ及び第２の電極３Ｂを介して、外部より電力が供給されると、活性層８から光を放出し、図２（ａ）における成長基板５の下面側から、主に光が取り出される。すなわち図２（ａ）の発光素子１０では、成長基板５において、電極３Ａ、３Ｂの装着面側（図２（ａ）の上側）と対向する他方の主面側（図２（ａ）の下側）を主な光取り出し面１８とする。

さらに、第１の電極３Ａ、第２の電極３Ｂからなる一組の電極３は、反射構造２０をそれぞれ有する。反射構造２０としては、例えば多層構造からなる誘電体多層膜４が挙げられる。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）の円に示す、誘電体多層膜４の近傍における拡大断面図である。図２（ｂ）に示すように、誘電体多層膜４は、屈折率の異なる２種以上の材料膜４ｎ、４ｍからなる１組の誘電体４ａを、複数組にわたって積層させた多層構造である。誘電体多層膜４の詳細な構造については後述するが、誘電体多層膜４は、半導体構造１１と電極３との間の少なくとも一部に設けられて、かつ、互いに離間されて水平に形成されており、所定の波長光を選択的に反射できる。また、実施の形態１の誘電体多層膜（ＤＢＲ）４において、その反射スペクトルの中心波長λ_hは、発光層８からの光の発光ピーク波長λ_pよりも長波長側に位置する。
（発光素子）

発光素子１０として、例えば図２に示すＬＥＤのような窒化物半導体素子では、成長基板５であるサファイヤ基板の上に、第１の窒化物半導体層６であるｎ型半導体層、活性層８である発光層、第２の窒化物半導体層７であるｐ型半導体層を順にエピタキシャル成長させた窒化物半導体層１１と、さらに窒化物半導体層１１の上に形成された透光性導電層１３とを有する。

続いて、発光層８及びｐ型半導体層７の一部を選択的にエッチング除去して、ｎ型半導体層６の一部を露出させ、さらに、第１の電極３Ａであるｎ型パッド電極を形成している。またｎ型電極３Ａと同一面側であって、透光性導電層１３上には、第２の電極３Ｂであるｐ型パッド電極が形成される。さらに、ｎ型パッド電極３Ａ及びｐ型パッド電極３Ｂの所定の表面のみを露出し、他の部分は絶縁性の保護膜で被覆される。なお、ｎ型パッド電極は、ｎ型半導体層６の露出領域に、透光性導電層１３を介して形成してもよい。以下に半導体発光素子１の各構成要素に関して、具体的に説明する。
（成長基板）

成長基板５は、半導体層１１をエピタキシャル成長させることができる基板で、基板の大きさや厚さ等は特に限定されない。窒化物半導体における基板としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）のような絶縁性基板、また炭化珪素（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板、ＧａＮやＡｌＮ等の窒化物半導体基板があり、そのオフアングルした基板（例えば、サファイアＣ面で０．０１°〜３．０°）も用いることができる。また、成長基板５を半導体層１１形成後に除去した基板の無い半導体素子構造、その取り出した半導体層を支持基板、例えば導電性基板に接着、フリップチップ実装した構造等とすること、また別の透光性部材・透光性基板を半導体層に接着した構造とするもできる。具体的には、半導体層の光取り出し側の主面に成長基板、接着した部材・基板を有する場合は透光性とし、不透光性、遮光性、光吸収性の成長基板の場合は除去し、そのような基板に半導体層を接着する場合は、半導体層主面の光反射側に設ける構造とする。光取り出し側の透光性基板・部材から半導体層に電荷を供給する場合は、導電性のものを用いるとよい。その他、ガラス、樹脂等の透光性部材により半導体層が接着・被覆されて、支持された構造の素子でもよい。成長用基板の除去は、例えば装置又はサブマウントのチップ載置部に保持して、研磨、ＬＬＯ（Laser Lift Off）で実施できる。また、透光性の異種基板であっても、基板除去することで、光取り出し効率、出力を向上させることができ、好ましい。
（半導体層）

半導体層１１としては、実施例及び以下で説明する窒化物半導体が、可視光域の短波長域、近紫外域、若しくはそれより短波長域である点、その点と光変換部材（蛍光体等）とを組み合わせた発光装置において好適に用いられる。あるいはこれらに限定されずに、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＰ系等の半導体でもよい。
（発光素子構造）

半導体層による発光素子構造は、後述する第１導電型（ｎ型）、第２導電型（ｐ型）層との間に活性層を有する構造が、出力、効率上好ましいが、それに限定されず後述する構造等、その他の発光構造でもよい。各導電型層に、絶縁、半絶縁性、逆導電型構造が一部に設けられてもよく、またそれらが第１、２導電型層に対し付加的に設けられた構造でもよく、別の回路構造、例えば保護素子構造、を付加的に有してもよく、また、上記基板が発光素子の導電型の一部を担う構造でもよい。

半導体層に設けられる電極は、実施例及び以下で説明する一方の主面側に第１導電型（ｎ型）、第２導電型（ｐ型）層の電極が設けられる構造が好ましいが、それに限定されず半導体層の各主面に対向して各々電極が設けられる構造、例えば上記基板除去構造において除去側に電極を設ける構造、でもよい。

また、半導体層の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ接合構造、ヘテロ接合構造あるいはダブルへテロ接合構造のものが挙げられる。また、各層を超格子構造としたり、活性層である発光層８を量子効果が生ずる薄膜に形成させた量子井戸構造としたり、できる。
（窒化物半導体層）

窒化物半導体としては、一般式がＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）であって、ＢやＰ、Ａｓを混晶してもよい。また、ｎ型半導体層６、ｐ型半導体層７は、単層、多層を特に限定しない。窒化物半導体層１１には活性層である発光層８を有し、この活性層は単一（ＳＱＷ）又は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とする。以下に窒化物半導体層１１の詳細を示す。

成長基板上に、バッファ層等の窒化物半導体の下地層、例えば低温成長薄膜ＧａＮとＧａＮ層、を介して、ｎ型窒化物半導体層、例えばＳｉドープＧａＮのｎ型コンタクト層とＧａＮ／ＩｎＧａＮのｎ型多層膜層、ｐ型窒化物半導体層、例えばＭｇドープのＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮのｐ型多層膜層とＭｇドープＧａＮのｐ型コンタクト層、を有し、さらにそのｐ型、ｎ型層の間に活性層を有する構造を用いる。

また、窒化物半導体の発光層（活性層）８は、例えば、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）からなる井戸層と、Ａｌ_cＩｎ_dＧａ_1-c-dＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、ｃ＋ｄ≦１）からなる障壁層とを含む量子井戸構造を有する。活性層に用いられる窒化物半導体は、ノンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれでもよいが、好ましくは、ノンドープもしくは、又はｎ型不純物ドープの窒化物半導体を用いることにより発光素子を高出力化することができる。障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体が用いられる。井戸層にＡｌを含ませることで、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである波長３６５ｎｍより短い波長を得ることができる。活性層から放出する光の波長は、発光素子の目的、用途等に応じて３６０ｎｍ〜６５０ｎｍ付近、好ましくは３８０ｎｍ〜５６０ｎｍの波長とする。

井戸層の組成はＩｎＧａＮが、可視光・近紫外域に好適に用いられ、その時の障壁層の組成は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮがよい。井戸層の膜厚は、好ましくは１ｎｍ以上３０ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

次に、ｐ型半導体層７の表面に所定の形状をなすマスクを形成し、ｐ型半導体層７及び活性層である発光層８をエッチングする。これにより、所定の位置のｎ型半導体層６を構成するｎ型コンタクト層が露出される。
（光反射構造）
本発明の発光素子の基本的な構造について具体的には、半導体層の互いに対向する２つの主面は、一方を光取り出し側、他方を光反射側とする。この光反射側には、光反射構造が設けられ、特に活性層等の発光構造を有する領域に設けられる。

光反射構造は、電極構造の一部、電極構造との重畳構造、電極構造との面内分離構造、それらを組み合わせた構造等として設けられ、好適には発光構造に対応して発光面積を大きく、電荷注入効率を高めるように主に重畳構造とする。具体的には、半導体層接触側の電極である透光性導電層１３と、素子外部と接続する外部接続用（パッド）電極との間に、反射構造が設けられる。この電極間の反射構造は、電極間を導通するような構造になる。具体的には、以下に示す導通経路と反射領域とが面内に分離して配置された構造とすることが好ましいが、これに限らず導電性の反射構造としてもよい。この面内分離の反射構造は、分離領域に導通構造を有しているため、絶縁性で構成することができる。なお、光取り出し側に電極を設ける場合は、部分電極、光透過性電極、透光性電極、それらを組み合わせた構造を用いることができる。

本発明の反射構造には、発光波長に反射率が依存する反射部を有し、具体的には、以下の誘電体多層膜、ＤＢＲ等を用いる。この波長依存性反射部の他に、半導体層、透光性部材（波長依存性反射部、電極）との屈折率差により反射させる透光性膜、金属反射層を付加的に有していてもよく、その場合、これら透光性の部材は半導体層側に、遮光性の金属反射層はその外側にそれぞれ配置される。また、波長依存性膜、透光性膜の配置は、特に限定されないが、好適には半導体層側から順に透光性膜、波長依存性膜を設けると、透光性膜による屈折率差の反射機能と、波長依存性膜による波長、方向依存の反射とを機能分離して各機能を高めることでき好ましい。

また、これら反射構造は、各膜・部材を各々１つ設けた構造だけでなく、多重構造、例えば各膜・部材を備えた反射構造を繰り返した重畳構造、反射構造の各膜・部材を複数備えた、若しくは多重化した構造、とすることができる。なお、反射構造を構成する各膜・部材は、一体的に形成する例を以下に示すが、これに限らず、各膜・部材を互いに異なる形状、パターンとすることもできる。反射構造の重畳化としては、例えば図３に示すようなドット状開口部を有する第１段目の反射構造群の上に、ＩＴＯ等の透光性導電層１３を介して、第２段目の反射構造群が積層される。この際、積層断面視において、第２段目の反射構造群は、第１段目の反射構造群の開口部領域の少なくとも一部を覆うように配置されることが好ましい。これにより、電極側からの平面視において、反射構造の形成領域が増大するため、これにより反射効率が高まると共に光取り出し効率が増大する。

以上では、発光構造に対応して設けられる反射構造について述べたが、これに限らず、ｎ電極領域のような非発光領域、半導体層の側面若しくは発光構造の側面、又は素子表面の領域に、反射構造を設けること、例えば保護膜に対応して重畳的に設けることができる。以下、透光性導電層１３（電極）、誘電体多層膜、絶縁性膜（透光性膜）、電極、並びに保護膜を説明する。
（透光性導電層１３）

透光性導電層１３は、主にｐ型半導体層７上に形成される。例えば、ｐ型半導体層７及び露出したｎ型半導体層６のほぼ全面に導電層が形成されることにより、電流をｐ型半導体層７全体に均一に広げることができると共に、導電層が透光性を備えることで、さらにこの上に反射構造を設けることができる。透光性導電層１３の被覆領域は、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層７は、どちらか一方の半導体層のみでもよい。

透光性導電層１３は、透明電極等数々の種類があるが、好ましくはＺｎ、Ｉｎ、Ｓｎよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物とする。具体的には、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂等、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎの酸化物を含む透光性導電層１３を形成することが望ましく、好ましくはＩＴＯを使用する。これにより当接する部材と良好なオーミック接触を得られる。あるいはＮｉ等の金属を３ｎｍ等の薄膜の金属膜、その他の金属の酸化物、窒化物、それらの化合物、窓部の開口部を有する金属膜のような光透過構造、以上の複合物でもよい。このように、各導電型層、例えばｐ型半導体層７のほぼ全面に導電層が形成され、電流を全体に均一に広げることができる。

また、透光性導電層１３の厚さは、その層の光吸収性と電気抵抗・シート抵抗、すなわち、光の反射構造と電流広がりを考慮した厚さとし、例えば１μｍ以下、具体的には１０ｎｍから５００ｎｍとする。また、活性層８から放出される光の波長λに対してλ／４のおよそ整数倍とすることが光取り出し効率が上がるので好ましい。
（反射構造２０）

図２に示すように、透光性導電層１３上に形成される反射構造２０は、窒化物半導体層１１と電極３との間の少なくとも一部に形成され、好ましくは所定のパターンで半導体層、透光性導電層１３の略全体を覆うように形成される。また、図２に示すように、透光性導電層１３と反射構造２０との間に、透光性の絶縁性膜１６を介することができる。この場合、絶縁性膜１６の少なくとも一部を開口し、この開口域で透光性導電層１３の表面が露出されることが好ましい。また、絶縁性膜１６を反射構造２０内に設け、反射層１６として併用することもできる。

図２の例において、反射構造２０は、絶縁性膜からなる反射層１６と、さらにこの反射層１６上に形成された誘電体多層膜４を備える。反射層１６は、誘電体多層膜４の下面において平面視で延出されて設けられる。
（誘電体多層膜４）

誘電体多層膜４は、屈折率の異なる２種以上からなる誘電体膜を交互に積層させた多層構造である。具体的には、屈折率の異なる膜を１／４波長の厚みで交互に積層して、所定の波長を高効率に反射できる。誘電体多層膜４の材料としては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物又は窒化物とすることが好ましく、特に少なくとも２つを繰り返し積層した誘電体多層膜とすることが一層好ましい。また誘電体多層膜４は、好ましくは非金属元素からなる材質、あるいは酸化物の積層構造とし、例えば（ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂）_n（ただしｎは自然数）で構成される。さらに、屈折率の異なる２種の材料膜において、低屈折率材料としてＳｉＯ₂が、また、高屈折率材料としてＮｂ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等が挙げられる。これにより、金属材質と比較して、反射層１６での光の吸収による損失を低減できる。

また、誘電体多層膜４は、屈折率の異なる２種の誘電体膜を２〜５ペア、好ましくは３〜４ペア積層して構成されることが好ましい。加えて、誘電体多層膜４の総膜厚は０．２〜１μｍが好ましく、０．３〜０．６μｍがより好ましい。これにより、誘電体多層膜の干渉作用による光透過率の急峻な谷の発生を抑制でき、連続した高反射率な波長域を増大させることができる。この結果、反射構造の中心波長を光源の発光ピーク波長よりも長波長側にずらしても、垂直入射の反射率の減少を抑止できる。つまり、入射角を持って反射構造２０へと入射した光源の入射成分のみならず入射角の小さい入射成分をも反射可能となり、相対的に発光素子の光出力が向上する。

また、図２の発光素子１０において、双方の電極３に形成される反射構造２０、さらに好ましくは反射構造２０の光学的特性は略同じとする。これにより、反射構造２０が両電極で略同じであると、発光装置１の光源による色ムラを低減できる他、両方を同時に形成することにより製造工程の簡略化が図れる。一方、各電極３Ａ、３Ｂに装着される各々の反射構造２０は、その光学的特性に差を設けてもよい。例えば、電極の部位による光の入射角度や、被覆層内に混入可能な波長変換部材との離間距離等を考慮して、反射層１６の膜厚を決定することができる。
（絶縁性膜）

絶縁性膜１６は、発光素子１０からの光を効率よく反射させる。したがって好ましくは酸化物とし、さらに好ましくはＳｉ、Ａｌよりなる群から選択された少なくとも一種の元素の酸化物とする。具体的には、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等とし、好ましくはＳｉＯ₂を使用する。また、絶縁性膜１６の厚さは２００ｎｍ以上が好ましく、例えば１００ｎｍ〜２μｍ程度の厚さで形成可能である。特に、絶縁性膜１６の上面に形成される金属電極層と共に設けられる場合、又は反射構造２０内に形成される際には、絶縁性膜１６の膜厚を、１０ｎｍから５００ｎｍとすることが好ましい。
（反射層１６）
また誘電体多層膜４の下面には、反射層１６が形成される。反射層１６の屈折率は半導体構造１１の屈折率よりも低くする。このようにすることで、発光層８から反射層１６側へと進行した光を、光取り出し側へと高効率に反射させることができる。具体的には屈折率が１．４５〜１．６８であることが好ましい。この範囲であれば、半導体構造１１からの所定の角度でもって反射層１６へと入射した光を有効に反射できる。

図２の窒化物半導体素子１０における反射層１６は、ＳｉＯ₂で構成される。これにより、発光層８から反射層１６への垂直入射を０°とした場合において、その入射角が３７°以上であれば、出射光の８０％以上を反射可能とできる。さらに反射層１６は、絶縁性膜１６の役割をも担うことができ、絶縁性と反射機能の双方の効果を得ることができ好ましい。さらにまた、主に３７°以下の入射成分については、誘電体多層膜４、又はこれに加えて、後述する金属反射層でもって反射させることができる。具体的に、反射構造２０では、反射層１６上に積層される誘電体多層膜４の膜厚を制御することで、反射スペクトルの中心波長を、発光層からの発光ピーク波長の１．０５〜１．３５倍に特定する。これにより、反射層１６を透過した光を高効率に反射できる。この結果、反射構造２０における反射率を総じて実質的に１００％とできる。

またＳｉＯ₂の反射層１６は、厚くすることで反射率を高めることができる。例として反射層１６をＳｉＯ₂として膜厚を変化させたときの光束相対値を図５に示す。この図に示すように、膜厚が概ね５０００Åまでは徐々に光束相対値に上昇し、それ以上ではほぼ定常値を示した。このことから、反射膜の膜厚を５０００Å以上とすることで、安定的な光束を達成できるといえる。
（電極）

透光性導電層１３上に誘電体多層膜４を含む反射構造２０が形成された後、図２に示すように、金属電極層２３が形成され、透光性導電層１３に電気的に接続される。金属電極層２３は、ｐ型半導体層７及びｎ型半導体層６側に適宜設けられた透光性導電層１３、及び反射構造２０である誘電体多層膜４に接して、第１の電極３Ａと第２の電極３Ｂ側にそれぞれ形成される。

金属電極層２３は、光学的特性により、これに進行した光を高効率に反射できる金属反射層として、多層膜４の表面の少なくとも一部に設けられ、好ましくは反射構造表面の略全面に設けられる。その他、発光素子と外部電極とを電気的に接続させ、パッド電極としても機能する。例えば、金属電極層表面にＡｕバンプのような導電部材を配置し、導電部材を介して、発光素子の電極と、これに対向された外部電極との電気的接続させる。また、金属電極層は透光性導電層１３と一部が電気的に直接接続される。パッド電極には既存の構成が適宜採用できる。例えばＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉのいずれかの金属又はこれらの合金やそれらの組み合わせから成る。金属電極層の一例として、下面からＷ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｐｔ／ＡｕもしくはＴｉ／Ｒｈの積層構造が採用できる。

実施の形態１において、金属電極層２３は、反射構造２０及び透光性導電層１３の少なくとも一部に接して形成される。また変形例として金属電極層２３の一部を、透光性導電層１３に設けた貫通孔内に延在させて、あるいは透光性導電層１３より外側において、窒化物半導体層に直接接触する接触部として設けてもよい。このように、金属電極層一部の接触部によって密着性を高めることができる。

また、ｐ型窒化物半導体層７側及びｎ型窒化物半導体層６側に形成される金属電極層２３は、用いる金属の種類や膜厚を同じ構成とすることが好ましく、なぜなら同時に形成することで、別々に形成する場合と比較して、金属電極層の形成の工程を簡略化することができるからである。別々に設ける場合のｎ型窒化物半導体層側の電極は、例えば、ｎ型窒化物半導体層６側から順に積層させたＷ／Ｐｔ／Ａｕ電極（その膜厚として、例えばそれぞれ２０ｎｍ／２００ｎｍ／５００ｎｍ）や、さらにＮｉを積層させたＷ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ、あるいはＴｉ／Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ電極等が利用できる。図２の例ではＴｉ／Ｒｈを採用し、反射率及び耐候性に富む金属電極層２３とした。
（保護膜）

金属電極層２３を形成した後、外部領域との接続領域を除いて半導体発光素子１０のほぼ全面に絶縁性の保護膜が形成できる。すなわち、ｎ型電極３Ａ部分及びｐ型電極３Ｂ部分に被覆される保護膜に、開口部がそれぞれ形成される。保護膜にはＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ポリイミド等が利用できる。

なお、以上の例ではｐ電極及びｎ電極を実装面とし、背面を光取り出し面とするフリップチップ構造について説明したが、この例に限られず、ｐ電極及びｎ電極を光取り出し面とし、その背面で実装するフェイスアップ構造とすることもできる。この場合は、基板側を実装すると共に、ワイヤボンディング等によってｐ電極及びｎ電極を配線する。またこれらの例は、ｐ電極及びｎ電極が同一面側に存在する構成であるが、この構成に限定するものでもなく、本発明を発光素子が有する一対の電極が、発光層を上下に挟み込む、いわゆる縦型の発光素子にも採用できる。縦型の発光素子の電極では、少なくとも、発光素子を載置する配線基板側の電極に、反射層１６を設けることで、該反射層１６へと進行した光を、対向する光取り出し表面側へ反射できる。これに加えて、光取り出し表面側に形成された電極にも反射構造２０を形成して、電極への光吸収を抑制し、これにより外部量子効率を高めることができる。
（発光装置）

上記の方法で得られた発光素子を配線基板上にフリップチップ実装して発光装置を得る。一例として図１に示される発光装置１の製造方法を説明する。まず、サブマウント基板９となるウェハ上に、発光素子１０をフリップチップ実装するパターンに従い、バンプを形成する。次に、このバンプを介して発光素子１０をフリップチップ実装する。スクリーン印刷で、メタルマスクをウェハ上に配置して、被覆層を構成する樹脂を塗布し、スキージで押し広げる。そして樹脂を硬化後、メタルマスクを外してダイシングを行い、サブマウント基板サイズに切り出す。切り出されたサブマウント基板９は各々、支持体上に共晶ダイボンディングにより共晶層を介して固定される。サブマウント基板９の電極と支持体の電極とをワイヤボンディングで配線する。さらに、ＬＥＤチップの外周を覆うように樹脂製のレンズを接着材等により固定して、発光装置を得る。

発光装置１は、図４に示すように、リード５２、５３を透光性の封止部材で封止、成形され、一方のマウントリード５２のマウント部に発光素子５０を載置され、その上方に封止部材のレンズ部５４を有する。

また、封止部材は透光性であれば特に限定されず、シリコーン樹脂組成物、変性シリコーン樹脂組成物等を使用することが好ましいが、エポキシ樹脂組成物、変性エポキシ樹脂組成物、アクリル樹脂組成物等の透光性を有する絶縁樹脂組成物を用いることができる。また、これらの樹脂を少なくとも一種以上含むハイブリッド樹脂等、耐候性に優れた封止部材も利用できる。さらに、ガラス、シリカゲル等の耐光性に優れた無機物を用いることもできる。さらにまた、封止部材の発光面側を所望の形状にすることによってレンズ効果を持たせることができる。
（添加部材）

また、封止部材は、波長変換部材、粘度増量剤、顔料、蛍光物質等、使用用途に応じて適切な部材を添加することができ、これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。同様に外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たせたフィルター材として各種着色剤を添加させることもできる。さらに、封止部材中に蛍光物質の他にフィラーを含有させてもよい。具体的な材料としては、拡散剤と同様のものが使用できる。ただ、拡散剤とフィラーとは中心粒径が異なり、フィラーの中心粒径は５μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。このような粒径のフィラーを封止部材中に含有させると、光散乱作用により発光装置の色度バラツキが改善される他、封止部材の耐熱衝撃性を高めることができる。

また、発光装置に搭載される発光素子の発光層から出力される出射光の発光ピーク波長は特に限定されないが、例えば近紫外線から可視光の短波長領域である２４０ｎｍ〜６５０ｎｍ付近、好ましくは３６０ｎｍ〜４２０ｎｍ若しくは４５０ｎｍ〜６５０ｎｍに発光スペクトルを有する半導体発光素子を用いることができる。
（中間層１７）

図８（ａ）に示す半導体発光素子において、透光性導電層１３をＩＴＯとし、多重反射膜の最下層の反射層１６である多重反射膜延出部をＳｉＯ₂とする場合、ＩＴＯとＳｉＯ₂の化学反応により透明性導電層の電気抵抗が動作時間と共に上昇し、この結果半導体発光素子の動作電圧すなわち順方向電圧Ｖｆが上昇するという問題があった。このような順方向電圧Ｖｆの上昇によって、素子が最早正常動作できない、すなわち寿命に達したと判断される時期が短くなる。またその一方で、ＩＴＯとＳｉＯ₂との接触界面では密着強度が弱いため、透明性導電層と多重反射膜との界面剥がれによる素子不良が生じて、同じく素子の寿命が短くなるという問題もあった。

そこで、このような素子の電気的、機械的な劣化を抑制して長寿命化を図るため、本実施の形態では図２（ａ）に示すように、透光性導電層１３と反射構造２０との間に、中間層１７を介在させる構成としている。すなわち、透光性導電層１３が電極の反射構造２０と化学反応して酸化されることで電圧上昇が生じると考えられることから、イオン化傾向の大きい材料を透光性導電層１３の上面に配置することでこのような酸化反応を抑止し、これをもって抵抗すなわちＶｆの上昇を抑制している。このように中間層は、透光性導電層と反射構造との間に介在されて、順方向電圧の上昇を防止する電圧上昇防止層として機能する。

このような中間層１７としては、反射層１６よりもイオン化傾向の大きい材料で構成されるＮｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、及び、構成する材料に酸素を実質的に含まないＳｉＮ等が利用できる。特に、反射構造２０を構成する誘電体多層膜４と同一の材質で中間層１７を構成することで、中間層１７の積層時に新たなターゲット材の追加を不要として製造時の効率を高めコストを抑制できる。このような観点から、中間層１７をＮｂ₂Ｏ₅とすることが好ましい。

また中間層１７の膜厚は、２７０Å〜５４０Åの範囲とすることが好ましい。これよりも薄くすると、ライフ特性が悪くなり、また厚くすると、出力が低下する。
（耐久試験）

ここで、中間層１７の追加によりＶｆの上昇が抑制されているかどうかを確認するため、耐久試験を行った。具体的には、中間層１７としてＮｂ₂Ｏ₅を５４０Å設けた実施例１と、比較例１として中間層を有しない従来の半導体発光素子とを作成し、発光層の温度を１５２℃、１７２℃に保持して１０００時間の連続動作試験を行い、駆動電流を３５０ｍＡ（定格電流）として動作電圧の動作開始時からの増加率を測定した。ここでは実施例１において、中間層１７としてＮｂ₂Ｏ₅、透光性導電層１３に膜厚８００ÅのＩＴＯ、反射構造２０として膜厚５０００ÅのＳｉＯ₂、誘電体多層膜４としてＮｂ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２を３対積層、共晶電極としてＰｔ／Ａｕを用いた。また比較例として、Ｎｂ₂Ｏ₅を含まない以外は同一の条件で半導体発光素子を作成した。結果として、動作電圧上昇率は、比較例１の場合は、発光層の温度が１５２℃で２．６％、１７２℃で３．７％になり、発光層の温度が高いほど動作電圧の増加率が大きくなった。これに対して実施例１では、１５２℃で１．３％、１７２℃で１．５％となり、発光層の温度に関わらず動作電圧は殆ど変化しておらず、Ｖｆの上昇が抑制されていることが確認できた。
（シェア試験）

次に、中間層１７の追加による透光性導電層１３と電極構造との接触界面での強度向上の効果を確認すべく、実施例１と比較例１について図６に示すような半導体発光素子のサンプルを作成してシェア試験を行った。この結果を図７のグラフに示す。比較例１の場合、ｐ型半導体層と透光性導電層１３との界面と、透光性導電層１３と反射層１６との界面での剥がれが混在していた。比較例１では特に、ＧａＮ／ＩＴＯの剥離界面と、ＩＴＯとＳｉＯ₂の剥離界面の両方が確認できた。これに対して実施例１の場合は、図７に示すようにｐ型半導体層と透光性導電層１３との界面のみで剥がれが発生していた。このように、Ｎｂ₂Ｏ₅の中間層１７を追加することで、透光性導電層１３であるＩＴＯとＮｂ₂Ｏ₅との界面での剥がれを防止できていること、換言するとＩＴＯとＳｉＯ₂との接合界面よりも強い密着力を発揮できていることが確認できた。

本発明の半導体発光素子は、照明用光源、ＬＥＤディスプレイ、バックライト光源、信号機、照明式スイッチ、各種センサ及び各種インジケータ等に好適に利用できる。

１…発光装置
３…電極
３Ａ…第１の電極（ｎ型パッド電極）
３Ｂ…第２の電極（ｐ型パッド電極）
４…誘電体多層膜
４ａ…１組の誘電体
４ｎ、４ｍ…材料膜
５…成長基板（サファイヤ基板）
６…第１の窒化物半導体層（ｎ型半導体層）
７…第２の窒化物半導体層（ｐ型半導体層）
８…活性層（発光層）
９…配線基板（サブマウント基板）
１０…発光素子（窒化物半導体素子）
１１…半導体構造（窒化物半導体層）
１３…透光性導電層（透光性電極、ＩＴＯ）
１６…反射層（絶縁性膜）
１７…中間層
１８…光取り出し面
２０…反射構造
２３…金属電極層
３５…開口部（導通部）
５０…ＬＥＤ
５２、５３…リード
５４…樹脂レンズ（レンズ部）

Claims (11)

1. 第一半導体層と、
   前記第一半導体層と異なる導電性を有する第二半導体層と、
   前記第一半導体層及び第二半導体層の間に設けられる活性領域と、
   前記第一半導体層上に設けられる透光性導電層(13)と、
   前記透光性導電層(13)の上に設けられる反射構造(20)と、
   前記反射構造(20)の上に設けられ、前記第一半導体層と電気的に接続される第一電極と、を備える半導体発光素子であって、
   前記反射構造(20)が、少なくとも反射層(16)を有し、
   前記透光性導電層(13)と反射構造(20)との間に、中間層(17)を介在させており、
   前記中間層(17)が、前記反射層(16)よりもイオン化傾向の大きい材料で構成されてなることを特徴とする半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子において、
   前記反射構造(20)が、前記反射層(16)上であって複数の誘電体より構成される誘電体多層膜(4)を有しており、
   前記誘電体多層膜(4)の膜厚が、前記反射層(16)の膜厚よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
3. 請求項２に記載の半導体発光素子において、
   前記反射層(16)がＳｉＯ₂であることを特徴とする半導体発光素子。
4. 請求項２〜３のいずれか一に記載の半導体発光素子において、
   前記透光性導電層(13)がＩＴＯであることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体発光素子において、
   前記中間層(17)が、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂のいずれかであることを特徴とする半導体発光素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一に記載の半導体発光素子において、
   前記中間層(17)の膜厚が、２７０Å〜５４０Åであることを特徴とする半導体発光素子。
7. 請求項４〜６のいずれか一に記載の半導体発光素子において、
   前記中間層(17)が、前記誘電体多層膜(4)を構成する層と同一の材質で構成されてなることを特徴とする半導体発光素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一に記載の半導体発光素子において、
   前記中間層(17)が、Ｎｂ₂Ｏ₅であることを特徴とする半導体発光素子。
9. 請求項１〜８のいずれか一に記載の半導体発光素子において、
   前記第二半導体層と電気的に接続される第二電極を備え、
   前記第一電極及び第二電極が、半導体発光素子の第一主面側に設けられ、
   前記第一主面を、実装面とし、
   前記第一主面と対向する第二主面側を、光取り出し面としてなることを特徴とする半導体発光素子。
10. 請求項１〜９のいずれか一に記載の半導体発光素子において、
    前記第二半導体層と電気的に接続される第二電極を備え、
    前記第一電極及び第二電極が、半導体発光素子の第一主面側に設けられ、
    前記第一主面を、光取り出し面とし、
    前記第一主面と対向する第二主面側を、実装面としてなることを特徴とする半導体発光素子。
11. 第一半導体層と、
    前記第一半導体層と異なる導電性を有する第二半導体層と、
    前記第一半導体層及び第二半導体層の間に設けられる活性領域と、
    前記第一半導体層上に設けられる透光性導電層(13)と、
    前記透光性導電層(13)の上に設けられる反射構造(20)と、
    前記反射構造(20)の上に設けられ、前記第一半導体層と電気的に接続される第一電極と、を備える半導体発光素子であって、
    前記透光性導電層(13)と反射構造(20)との間に、中間層(17)を介在させており、
    前記中間層(17)が、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＮのいずれかであることを特徴とする半導体発光素子。

Images