JP2013102061A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ホールの供給を促して、発光効率を向上させた半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 半導体発光素子１０では、第１導電型の第１不純物濃度を有する井戸層と第１不純物濃度より高い第１導電型の第２不純物濃度を有する障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の発光層１３が、第１半導体層１２上に部分的に設けられている。バンドギャップが略一様で単一の組成を有する第２導電型の第２半導体層１５、１６が発光層１３上に設けられている。第１電極２１、２２は、第１半導体層１３上に設けられている。第２電極２３、２４が、第２半導体層１６上に設けられている。発光層１３に平行な方向における第１電極２２と第２電極２４の間の第１の距離Ｌ１が、発光層１３に垂直な方向における第１電極２１、２２と第２電極２３、２４の間の第２の距離Ｌ２より大きい。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

従来、窒化物半導体発光素子には、井戸層と井戸層より高いＮ型不純物濃度を有する障壁層が交互に積層された量子井戸構造の発光層と、発光層とＰ型ＧａＮクラッド層の間に設けられたＰ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層を有するものがある。

バンドギャップが広く高いＮ型不純物濃度を有する障壁層は、バンドギャップの狭い井戸層に電子を供給する。Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層は、伝導帯側に障壁を形成して電子が発光層からオーバフローするのを防止する。これにより、井戸層内の電子濃度を増加させている。

然しながら、Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層は、バンドギャップが広いため価電子帯側にも低いながら障壁を形成するという問題がある。

Ｐ側電極とＮ側電極が発光層に垂直な方向より発光層に平行な方向に大きく離間している（Ｐ側電極とＮ側電極が対向していない）場合、キャリアが発光層に垂直な方向に移動しようとする力は弱くなる。

その結果、質量の重いホールはＰ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層により形成される価電子帯側の障壁を乗り越えることが難しくなる。ホールが井戸層に十分に供給されなくなり、十分なホール濃度が得られない。

従って、井戸層内の電子に対してホールが不足するので、電子がホールと十分発光再結合することができなくなり、高い発光効率が得られないという問題がある。

特開２０１０−４０８３８号公報

本発明は、ホールの供給を促して、発光効率を向上させた半導体発光素子を提供する。

一つの実施形態によれば、半導体発光素子では、第１導電型の第１不純物濃度を有する井戸層と前記第１不純物濃度より高い第１導電型の第２不純物濃度を有する障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の発光層が、第１導電型の第１半導体層上に部分的に設けられている。バンドギャップが略一様で単一の組成を有する第２導電型の第２半導体層が、前記発光層上に設けられている。第１電極が前記第１半導体層上に設けられている。第２電極が前記第２半導体層上に設けられている。前記発光層に平行な方向における前記第１電極と前記第２電極の間の第１の距離が、前記発光層に垂直な方向における前記第１電極と前記第２電極の間の第２の距離より大きい。

実施例１に係る半導体発光素子を示す図。 実施例１に係る半導体発光素子の要部を示す断面図。 実施例１に係る比較例の半導体発光素子を示す断面図。 実施例１に係る半導体発光素子のエネルギーバントを比較例と対比して説明する図。 実施例１に係る半導体発光素子のキャリアの流れを比較例と対比して説明する図 実施例１に係る半導体発光素子の特性を比較例と対比して示す図。 実施例１に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。 実施例１に係る別の半導体発光素子を示す図。 実施例２に係る半導体発光素子を示す図。 実施例２に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。 実施例２に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本実施例に係る半導体発光素子について、図１および図２を用いて説明する。図１は本実施例の半導体発光素子を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図、図２は要部を拡大して示す断面図である。本実施例の半導体発光素子は、窒化物半導体を用いた青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。

図１に示すように、本実施例の半導体発光素子１０では、半導体積層体１１は第１導電型の第１半導体層であるＮ型ＧａＮクラッド層１２と、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造の発光層１３と、第２導電型の第２半導体層であるＰ型ＧａＮクラッド層１５およびＰ型ＧａＮコンタクト層１６とが順に積層された多層構造の窒化物半導体積層体である。

半導体積層体１１は、発光層１３から放出される光に対して透明な基板１７、例えばサファイア基板上に形成されている。

半導体積層体１１は、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の一部を露出するように、一端側が矩形状に切り欠かれた切り欠き部１８と、切り欠き部１８から他端側に向かう第１の方向（図の−Ｘ方向）に延在した湾入部１９を有している。

Ｎ型ＧａＮクラッド層１２上に第１電極である第１パッド電極２１および第１細線電極２２が設けられている。第１パッド電極２１は、切り欠き部１８に設けられている。第１細線電極２２は、第１パッド電極２１から湾入部１９に沿って設けられている。

第１パッド電極２１および第１細線電極２２は、例えばＮ型ＧａＮにオーミックコンタクト可能なチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層膜である。

Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６上に第２電極である第２パッド電極２３および第２細線電極２４が設けられている。第２パッド電極２３は、他端側に設けられている。第２細線電極２４は、第２パッド電極２３から第１細線電極２２を囲うように設けられている。

第２細線電極２４は、第２パッド電極２３から±Ｙ方向に延在し、曲折して＋Ｘ方向に延在する配線２４ａおよび配線２４ｂを有している。

第２パッド電極２３および第２細線電極２４は、例えばＰ型ＧａＮにオーミックコンタクト可能な金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）膜である。

第１細線電極２２および第２細線電極２４は、周辺部まで電流を拡げるために設けられている。発光層１３に平行な方向における第１細線電極２２と第２細線電極２４の距離Ｌ１（第１の距離）は、発光層１３に垂直な方向における第１細線電極２２と第２細線電極２４の距離Ｌ２（第２の距離）より十分大きく設定されている。

距離Ｌ１は、半導体発光素子の製造工程におけるエッチングやマスク合わせの精度を考慮すると少なくとも数μｍ以上必要である。更に、電流を拡げるためには数十μｍ以上必要である。

一方、距離Ｌ２は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６から露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２の上面までの厚さ（１μｍ以下）である。

Ｎ型ＧａＮクラッド層１２は、例えば厚さが４μｍ、Ｎ型不純物濃度が１Ｅ１９ｃｍ^−３である。Ｐ型ＧａＮクラッド層１５は、例えば厚さが１００ｎｍ、Ｐ型不純物濃度が１Ｅ２０ｃｍ^−３である。Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６は、例えば厚さが５ｎｍ、Ｐ型不純物濃度が１Ｅ２１ｃｍ^−３である。

図２は発光層１３を示す断面図である。図２に示すように、発光層１３は、例えばＩｎＧａＮ障壁層２５とＩｎＧａＮ井戸層２６とが交互に１２対積層されている。最上面はＩｎＧａＮ障壁層２５である。

ＩｎＧａＮ障壁層２５は、例えばＩｎ組成比が０．０５、厚さが１０ｎｍ、Ｎ型不純物濃度（第２不純物濃度）は２Ｅ１８ｃｍ^−３である。ＩｎＧａＮ井戸層２６は、例えばＩｎ組成比が０．２、厚さが２．５ｎｍ、Ｎ型不純物濃度（第１不純物濃度）は１Ｅ１６ｃｍ^−３以下である。

発光層１３は、バンドギャップの広いＩｎＧａＮ障壁層２５にＮ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が高濃度にドープされ、バンドギャップの狭いＩｎＧａＮ井戸層２６をアンドープとした、所謂変調ドープ（Modulation Doping）構造である。

変調ドープとは、周知のように半導体素子内において場所により意図的に不純物のドーピング量に強弱をつけることである。バンドギャップの異なる半導体層の界面ではエネルギー準位の不連続が生じ、電子はバンドギャップの狭い層に溜まる。

自由電子を供給させるためのＮ型不純物はバンドギャップの広い半導体層内にのみドーピングし、バンドギャップの狭い半導体層内には不純物をドーピングしなければ、バンドギャップの広い半導体層からバンドギャップの狭い半導体層内に自由電子が供給され、且つバンドギャップの狭い半導体層内で不純物による自由電子の散乱を避けることができる。

第１パッド電極２１と第２パッド電極２３の間に電圧を印加することにより、発光層１３に注入されたキャリアが発光再結合し、例えばピーク波長が約４５０ｎｍの光が放出される。

上述した半導体発光素子１０は、発光層１３を変調ドープ構造としてＩｎＧａＮ井戸層２６内の電子濃度を増加させ、電子がＩｎＧａＮ井戸層２６と平行な方向に移動しやすくするとともに、第２半導体層内のバンドギャップを一様にして、価電子帯側に無用な障壁が生じるのを防止するように構成されている。

その結果、電子のオーバフローは起こりにくくなるとともに、質量の重いホールがＩｎＧａＮ井戸層２６内に供給されやすくなる。

従って、第１細線電極２２と第２細線電極２４がＸ−Ｙ面内で大きく離間している場合でも、十分な電子濃度およびホール濃度が得られるので、キャリアが発光再結合しやすくすることが可能である。

次に、本実施例の半導体発光素子１０の動作について比較例と対比して説明する。図３は比較例の半導体発光素子を示す図である。ここで比較例とは、Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層を有する半導体発光素子のことである。

図３に示すように、比較例の半導体発光素子３０では、半導体積層体３１は発光層１３とＰ型ＧａＮクラッド層１５の間に設けられたＰ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層３２を有している。Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層３２は、例えばＡｌ組成比が０．１５、厚さが５ｎｍ、Ｐ型不純物濃度が１Ｅ２０ｃｍ^−３である。

図４は本実施例の半導体発光素子のエネルギーバンドを比較例の半導体発光素子のエネルギーバンドと対比して説明するための図で、図４（ａ）が本実施例の半導体発光素子のエネルギーバンドを示す図、図４（ｂ）が比較例の半導体発光素子のエネルギーバンドを示す図である。

図４（ｂ）に示すように、比較例の半導体発光素子３０では、Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層３２を有しているので、伝導帯に高い障壁３３だけでなく、価電子帯に低いながらも余分な障壁３４が生じている。

周知のように、第１パッド電極２１と第２パッド電極２３の間に電圧を印加すると、熱平衡状態よりも電子と正孔の密度が増えるので非平衡状態となり、二つの擬フェルミレヘレル３５、３６が生じている。フェルミレベルは、電子の擬フェルミレベル３５が伝導帯に近付き、正孔の擬フェルミレベル３６が価電子帯に近付くように別れる。

障壁３４がある場合、第２細線電極２４から離れた領域ではホールが障壁３４を越えにくくなり、第２細線電極２４の第１細線電極２２側近傍でしか再結合が起こらなくなる。

その場合、キャリアが第２細線電極２４脇に集中するため、オージェ(非発光)再結合が起こりやすく、一方、発光再結合は起こりにくいため効率が低下する。

一方、図４（ａ）に示すように、本実施例の半導体発光素子１０では、障壁３３、３４は生じない。変調ドープ構造により、電子はＩｎＧａＮ井戸層２６全域に拡がっている。

第２半導体層側のバンドギャップが一様で障壁がないため、ホールは全域でＩｎＧａＮ井戸層２６に入りやすくなり、ＩｎＧａＮ井戸層２６の全域で再結合するようになる。

再結合がＩｎＧａＮ井戸層２６の全域に広がるため、キャリア密度が低くなり、オージェ（非発光）再結合が少なくなり、発光効率が上昇する。

なお、格子不整合がある場合はバンドギャップが一様でも界面にピエゾ効果に起因する応力による段差ができるため、第２半導体層は組成も同一であるほうがより好ましい。本実施例では、第２半導体層はＰ型ＧａＮクラッド層１５とＰ型ＧａＮコンタクト層１６からなり、この要件を満たしている。

図５は本実施例の半導体発光素子のキャリアの流れを比較例の半導体発光素子のキャリアの流れと対比して説明するための図で、図５（ａ）が本実施例の半導体発光素子のキャリアの流れを示す図、図５（ｂ）が比較例の半導体発光素子のキャリアの流れを示す図ある。

図５（ｂ）に示すように、比較例の半導体発光素子３０では、第１電極から離れた領域ではホールがオーバフロー防止層３２により生じる価電子帯側の障壁３４を越えられなくなるため、第１電極近傍のみで再結合する。発光再結合領域３７は第１電極近傍に留まっている。

一方、図５（ａ）に示すように、本実施例の半導体発光素子１０では、第１電極から離れた領域までホールが再結合する。発光再結合領域３８は第１電極から第２電極近傍まで拡がっている。

大電流で高出力化するためには、キャリアの分布を広げるとともに、キャリア密度を低くした方が良い（大電流で影響が大きくなるオージェ（非発光）再結合を抑制）。

要約すると、本実施例の効果を得るには、以下の要件を満たすことが必要である。１）第１電極および第２電極が水平方向に十分離れていること、２）変調ドープ構造により、電子が主にＩｎＧａＮ井戸層２６内をＩｎＧａＮ井戸層２６に平行な方向に移動させて、電子がオーバフローしにくくすること、３）第２半導体層のバンドギャップが一様で、ホールがＩｎＧａＮ井戸層２６に入りやすいこと。

図６は本実施例の半導体発光素子の特性を比較例の半導体発光素子の特性と対比して示す図で、図６（ａ）は電流−光出力特性を示す図、図６（ｂ）は電流−電圧特性を示す図である。

図６において、比較例１は図３に示す半導体発光素子３０で、変調ドープ構造の発光層１３とＰ型ＡｌＧａＮオーバフロー層３２を有する半導体発光素子のことである。比較例２は非変調ドープ構造の発光層とＰ型ＡｌＧａＮオーバフロー層３２を有する半導体発光素子のことである。

図６（ａ）に示すように、電流−光出力特性において、比較例１の半導体発光素子は比較例２の半導体発光素子より若干高い光出力を示すが、その差は僅かである。一方、本実施例の半導体発光素子１０では、電流によらず比較例１、２の半導体発光素子より約１．３倍高い光出力が得られている。

これは、変調ドープ構造の発光層１３により電子がＩｎＧａＮ井戸層２６に十分供給されていても、Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー層３２により価電子帯に生じる障壁３４によりホールのＩｎＧａＮ井戸層２６への注入が抑えられているため、ＩｎＧａＮ井戸層２６内の電子濃度の多少にかかわらず発光再結合が増えないことを示している。

一方、本実施例の半導体発光素子１０では、変調ドープ構造の発光層１３により電子はＩｎＧａＮ井戸層２６に十分供給されているとともに、価電子帯に障壁３４が生じないため、ホールもＩｎＧａＮ井戸層２６へ十分供給され、発光再結合が増えたことを示している。

図６（ｂ）に示すように、電流−電圧特性において、本実施例の半導体発光素子１０と比較例１の半導体発光素子３０にはほとんど差が見られない。一方、比較例２の半導体発光素子では、本実施例および比較例１の半導体発光素子１０、３０より電圧が約１．１倍高い値を示した。

これは、比較例２の半導体発光素子では、発光層が変調ドープ構造でないため、井戸層に電子が十分供給されず電流が増えないことを示している。

一方、比較例１の半導体発光素子３０では、変調ドープ構造の発光層１３により井戸層に電子が十分供給されて、電子トラップによるショックレー・リード・ホール（ＳＲＨ）再結合（非発光再結合）およびＳＲＨ再結合による電流が増えたため、光出力は増加しなくとも電圧は低下したことを示している。従って、電子およびホールの両方の供給を増やすことが重要であることがわかる。

次に、半導体発光素子１０の製造方法について説明する。図７は半導体発光素子１０の製造工程を順に示す断面図である。

図７（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、エピタキシャル成長用の基板１７（図示せず）にＮ型ＧａＮクラッド層１２、発光層１３、Ｐ型ＧａＮクラッド層１５およびＰ型ＧａＮコンタクト層１６を順にエピタキシャル成長させて半導体積層体１１を形成する。

半導体積層体１１の製造プロセスについては周知であるが、以下簡単に説明する。基板１７としてＣ面サファイア基板を用い、前処理として、例えば有機洗浄、酸洗浄を施した後、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に収納する。次に、例えば窒素（Ｎ_２）ガスと水素（Ｈ_２）ガスの常圧混合ガス雰囲気中で、高周波加熱により、基板１７の温度を、例えば１１００℃まで昇温する。これにより、基板１７の表面が気相エッチングされ、表面に形成されている自然酸化膜が除去される。

次に、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ_３）ガスと、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri-Methyl Gallium）ガスを供給し、Ｎ型ドーパントとして、例えばシラン（ＳｉＨ_４）ガスを供給し、厚さ４μｍのＮ型ＧａＮ層１２を形成する。

次に、ＮＨ_３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスおよびＳｉＨ_４ガスの供給を停止し、基板１７の温度を１１００℃より低い温度、例えば８００℃まで降温し、８００℃で保持する。

次に、Ｎ_２ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばＮＨ_３ガス、ＴＭＧガスおよびトリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）ガスを供給し、Ｎ型ドーパントとしてＳｉＨ_４ガスを供給し、厚さ１０ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．０５、Ｎ型不純物濃度が２Ｅ１８ｃｍ^−３のＩｎＧａＮ障壁層２５を形成する。

尚、ＩｎＧａＮ障壁層２５にＮ型不純物をＩｎＧａＮ井戸層２６との界面直近までドープすると、ＩｎＧａＮ井戸層２６にＮ型不純物が染み出すため、界面近傍はＮ型不純物のドープ量を減らしたほうが良い。

ＳｉＨ_４ガスの供給を停止し、ＴＭＩガスの供給を増やすことにより、厚さ２．５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．２のＩｎＧａＮ井戸層２６を形成する。

次に、ＳｉＨ_４ガスの供給を断続するとともに、ＴＭＩガスの供給を増減することにより、ＩｎＧａＮ障壁層２５とＩｎＧａＮ井戸層２６の形成を、例えば１２回繰返す。これにより、発光層１３が得られる。

次に、ＴＭＧガス、ＮＨ_３ガスは供給し続けながらＴＭＩガスの供給を停止し、アンドープで厚さ５ｎｍのＧａＮキャップ層（図示せず）を形成する。

次に、ＮＨ_３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、Ｎ_２ガス雰囲気中で、基板１７の温度を８００℃より高い温度、例えば１０３０℃まで昇温し、１０３０℃で保持する。

次に、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとしてＮＨ_３ガス、ＴＭＧガス、Ｐ型ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを供給し、厚さが４０ｎｍ、Ｍｇ濃度が１Ｅ２０ｃｍ^−３程度のＰ型ＧａＮクラッド層１５を形成する。

次に、Ｃｐ２Ｍｇガスの供給を増やして、厚さ１０ｎｍ、Ｍｇ濃度が１Ｅ２１ｃｍ^−３程度のＰ型ＧａＮコンタクト層１６を形成する。

次に、ＮＨ_３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、基板１７を自然降温する。ＮＨ_３ガスの供給は、基板１７の温度が５００℃に達するまで継続する。これにより、基板１７上に半導体積層体１１が形成され、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６が表面になる。

次に、図７（ｂ）に示すように、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６上に、切り欠き部１８と湾入部１９に対応する開口を有するレジスト膜４１をフォトリソグラフィ法により形成する。

次に、図７（ｃ）に示すように、レジスト膜４１をマスクとして、塩素系ガスを用いたＲＩＥ法により、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６からＮ型ＧａＮクラッド層１２の上部までを異方性エッチングし、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の一部を露出させる。これにより、切り欠き部１８および湾入部１９が得られる。

次に、レジスト膜４１を、例えばアッシャーを用いて除去した後、周知の方法により、Ｎ型ＧａＮ層１２上であって、切り欠き部１８に第１パッド電極２１と、第１パッド電極２１から湾入部１９に沿った第１細線電極２２を形成する。

Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６上であって、他端側に第２パッド電極２３と、第２パッド電極２３から±Ｙ方向に延在し、曲折して＋Ｘ方向に延在する第２細線電極２４を形成する。これにより、図１に示す半導体発光素子１０が得られる。

以上説明したように、本実施例の半導体発光素子１０では、発光層１３を変調ドープ構造として、ＩｎＧａＮ井戸層２６内の電子濃度を増加させ、第２半導体層のバンドギャップを一様にして、価電子帯側に無用な障壁が生じるのを防止している。

その結果、電子がＩｎＧａＮ井戸層２６内を移動しやすくなり、キャリアが水平方向に流れやすくなり、電子のオーバフローは起こりにくくなる。質量の重いホールがＩｎＧａＮ井戸層２６内に注入されやすくなる。

電子およびホールとも注入効率が向上し、キャリアが発光再結合しやすくなる。従って、ホールの供給を促して、発光効率を向上させた半導体発光素子が得られる。

半導体発光素子１０に、透明導電膜および超格子バッファ層を設けることが可能である。図８は透明導電膜および超格子バッファ層が設けられた半導体発光素子を示す断面図である。

図８に示すように、半導体発光素子５０では、半導体積層体５１はＮ型ＧａＮコンタクト層１２と発光層１３の間に設けられた超格子バッファ層５２を有している。Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６上に、発光層１３から放出される光に対して透光性を有する透明導電膜５３が設けられている。

超格子バッファ層５２は、ＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層が交互に３０対積層されている。ＩｎＧａＮ井戸層は、Ｉｎ組成が発光層１３のＩｎＧａＮ井戸層２６と異なっている。

ＩｎＧａＮ井戸層は、例えば厚さ１ｎｍ、Ｎ型不純物濃度（第３不純物濃度）が１Ｅ１６ｃｍ^−３以下である。ＩｎＧａＮ障壁層は、例えば厚さ３ｎｍ、Ｎ型不純物濃度（第４不純物濃度）が２Ｅ１８ｃｍ^−３である。

周知のように、超格子バッファ層５２は、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２から転位などの結晶欠陥が発光層１３に伝播するのを抑制するので、発光層１３の結晶性が向上する。その結果、発光効率が向上する利点がある。

超格子バッファ層５２は、発光層１３と同じく変調ドープ構造なので、発光層１３のＩｎＧａＮ井戸層２６に電子を供給することができる利点がある。

透明導電膜５３は、例えば厚さ０．１乃至０．２μｍのＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜である。第２パッド電極２３および第２細線電極２４は、透明導電膜５３上に設けられている。透明導電膜５３により、半導体発光素子５０の周辺まで電流を広げるのが容易になる。

電流を広げるためにはＩＴＯ膜を厚くした方が良い。一方、ＩＴＯ膜はわずかであるが光を吸収してしまうため、光を取り出すためには薄い方が好ましい。以後、透明導電膜をＩＴＯ膜とも記す。

透明導電膜５３は、半導体積層体１１の側面に沿って流れる表面電流を抑制するために、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６のエッジより距離Ｌ３、例えば１０μｍだけ内側に形成されている。距離Ｌ３は、発光層１３に注入される少数キャリアの拡散長（μｍオーダ）の１０倍以上が好ましい。

Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６は、例えば不純物濃度が１Ｅ２１ｃｍ^−３で、移動度を１０ｃｍ^２／Ｖ・ｓとすると、抵抗率は約５Ｅ−４Ωｃｍである。Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６の厚さが５ｎｍのとき、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６のシート抵抗は、約１ｋΩ／□となる。

透明導電膜５３の抵抗率は、製法や条件により異なるが、２Ｅ−４Ωｃｍとすることは可能である。透明導電膜５３のシート抵抗は、十分な透過率、例えば８０％以上が得られる厚さである０．２μｍ以下でも、１２Ω／□以下となる。

本実施例に係る半導体発光素子について図９を用いて説明する。図９は本実施例の半導体発光素子を示す図で、図９（ａ）はその平面図、図９（ｂ）は基板に実装された半導体発光素子を図９（ａ）のＢ−Ｂ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。

本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその部分の説明は省略し、異なる部分について説明する。本実施例が実施例１と異なる点は、Ｎ型ＧａＮクラッド層側から光を取り出すようにしたことにある。

即ち、図９に示すように、本実施例の半導体発光素子６０はフリップチップで、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６側が基板６１にマウントされ、発光層１３から放出された光がＮ型ＧａＮクラッド層１２側から取り出されるように構成されている。

半導体積層体１１は、外周部のＮ型ＧａＮクラッド層１２が全て露出するように、外周部が除去されている。半導体積層体１１は凸型形状である。

露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２上には、一端側に第１パッド電極６２が設けられ、第１パッド電極６２からＮ型ＧａＮクラッド層１２の外周に沿ってＰ型ＧａＮコンタクト層１６を囲むように第１細線電極６３が設けられている。第１パッド電極６２は円形状であり、第１細線電極６３は電流を広げるために額縁状である。

Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６上には、外縁部を除く全面に第２パッド電極６４が設けられている。第２パッド電極６４は矩形状である。

発光層１３に平行な方向における第１パッド電極６２と第２パッド電極６４の距離Ｌ４（第１の距離）は、発光層１３に垂直な方向における第１パッド電極６２と第２パッド電極６４の距離Ｌ２（第２の距離）より十分大きく設定されている。

基板６１は絶縁基板で、例えばセラミックス基板ある。基板６１上には、第１パッド電極６２および第１細線電極６３に対応する基板第１電極６５が設けられ、第２パッド電極６４と対応する基板第２電極６６が設けられている。基板第１電極６５および基板第２電極６６は、例えば金錫（ＡｕＳｎ）合金である。

第１パッド電極６２および第１細線電極６３と基板第１電極６５が重ね合わされ、第２パッド電極６４と基板第２電極６６が重ね合わされ、半導体積層体１１が基板６１に接合されている。

基板第１電極６５と基板第２電極６６の間に電圧を印加することにより、発光層１３に注入されたキャリアが発光再結合し、例えばピーク波長が約４５０ｎｍの青色光が放出される。

発光層１３からＰ型ＧａＮコンタクト層１６側に放出された光の一部は、第２パッド電極６４で反射され、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２側から取り出される。

本実施例の半導体発光素子６０においても、第１パッド電極６２と第２パッド電極６４は発光層１３に平行な方向に十分離間しているので、図１に示す半導体発光素子１０と同様に、発光効率が向上し光出力を増加させることが可能である。

また、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２から光を取り出しやすくするために、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の上に樹脂６７が設けられている。樹脂６７にＹＡＧ蛍光体を含有させることにより、高出力の白色光を得ることができる。

次に、半導体発光素子６０の製造方法について説明する。図１０および図１１は半導体発光素子６０の製造工程を示す断面図である。

図１０（ａ）に示すように、図７（ａ）乃至図７（ｃ）と同様にして、ＭＯＣＶＤ法により基板１７に半導体積層体１１を形成し、レジスト膜をマスクとしてＲＩＥ法により半導積層体１１の外周部を異方性エッチングし、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の外周部を全て露出させる。

露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２上に、第１パッド電極６２および第１細線電極６３を形成する。Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６上に、第２パッド電極６４を形成する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、例えばレーザリフトオフ法により、基板１７と半導積層体１１を分離する。レーザリフトオフ法とは、高出力のレーザ光を照射することにより物質内部を部分的に加熱分解し、分解した部分を境に分離する手法である。

具体的には、基板１７を通過しＮ型ＧａＮクラッド層１２で吸収されるレーザを照射し、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２を解離させて、基板１７とＮ型ＧａＮクラッド層１２を分離する。

例えばＮｄ−ＹＡＧレーザの第４高調波（２６６ｎｍ）を基板１７側から照射する。この光に対してサファイアは透明なので、照射された光は基板１７を透過してＮ型ＧａＮクラッド層１２で有効に吸収される。

基板１７との界面近傍のＮ型ＧａＮクラッド層１２には多くの結晶欠陥が存在するために、吸収された光はほとんど全てが熱に変換され、２ＧａＮ＝２Ｇａ＋Ｎ_２（ｇ）↑なる反応が生じ、ＧａＮはＧａとＮ_２ガスに解離する。

レーザは基板１７との界面近傍のＮ型ＧａＮクラッド層１２に焦点を合わせることが適当である。レーザは、連続光（ＣＷ）でも、パルス光（ＰＷ）でもよいが、尖頭出力の高いパルス光であることが望ましい。

尖頭出力の高いパルスレーザとしては、ピコ秒からフェムト秒オーダの超短パルス光が出力可能なＱスイッチレーザ、モードロックレーザなどが適している。

次に、図１１に示すように、第１パッド電極６２および第１細線電極６３と基板第１電極６５、第２パッド電極６４と基板第２電極６６をそれぞれ対向させて、半導体積層体１１と基板６１を重ね合わせる。

基板６１を加熱して金錫合金膜を溶融させ、半導体積層体１１と基板６１を接合する。ＡｕＳｎは３００℃程度に加熱されると溶融状態になるので、第１パッド電極６２および第１細線電極６３と基板第１電極６５が融着し、第２パッド電極６４と基板第２電極６６が融着する。これにより、図９に示す基板６１にマウントされた半導体発光素子６０が得られる。

以上説明したように、本実施例の半導体発光素子６０では、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６側が基板６１にマウントされ、発光層１３から放出された光がＮ型ＧａＮクラッド層１２側から取り出される。

この構造においても、第１パッド電極６２と第２パッド電極６４はＮ型ＧａＮクラッド層１２に平行な方向に十分離間しているので、図１に示す半導体発光素子１０と同様に、発光効率が向上し光出力を増加させることができる。半導体発光素子６０は、チップサイズが比較的大きい場合に適した構造である。

金膜である第２パッド電極６４を光反射膜として利用する場合について説明したが、光反射膜として金より光反射率の高い銀（Ａｇ）を用いることにより、更に光出力を増加させることができる。

その場合、第２パッド電極６４を銀と金の積層膜とするとよい。初めに、例えばスパッタリング法により厚さ約３００ｎｍの銀膜を形成し、続いて厚さ約７００ｎｍの金膜を形成する。次に、熱処理を施す。これにより、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１６と接触する銀膜が合金化し、金でオーバーコートされた２層の第２パッド電極６４になる。

金でオーバーコートすることにより、製造プロセス中での銀の変質（酸化、硫化）、マイグレーションなどによるトラブルが未然に防止される。また、銀は金よりも比抵抗が低く、熱伝導率も高いので、電気特性、熱特性などの向上が期待される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 前記第１半導体層はＮ型ＧａＮクラッド層、前記第２半導体層はＰ型ＧａＮクラッド層およびＰ型ＧａＮコンタクト層である請求項１または請求項４に記載半導体発光素子。

（付記２） 前記発光層は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ａｌ_{（１−ｘ１−ｙ１）}Ｎ井戸層（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１≦１）と、Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ａｌ_{（１−ｘ２−ｙ２）}Ｎ障壁層（０≦ｘ２＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜ｙ２≦１）が交互に積層された多重量子井戸である請求項１または請求項４に記載の半導体発光素子。

（付記３） 前記透明導電膜が、ＩＴＯ膜、ＺｎＯ膜またはＳｎ_２Ｏ膜である請求項３に記載の半導体発光素子。

（付記４） 前記第３不純物濃度が１Ｅ１６ｃｍ^−３以下、前記第４不純物濃度が２Ｅ１８ｃｍ^−３以上である請求項６に記載の半導体発光素子。

（付記５） 前記透明導電膜は前記第１半導体層のエッジより内側に設けられ、前記透明導電膜のエッジと前記第１半導体層のエッジの間の距離が、前記発光層に注入される少数キャリアの拡散長の１０倍以上である請求項３に記載の半導体発光素子。

１０、３０、５０、６０ 半導体発光素子
１１、３１、５１ 半導体積層体
１２ Ｎ型ＧａＮクラッド層
１３ 発光層
１５ Ｐ型ＧａＮクラッド層
１６ Ｐ型ＧａＮコンタクト層
１７、６１ 基板
１８ 切り欠き部
１９ 湾入部
２１、６２ 第１パッド電極
２２、６３ 第１細線電極
２３、６４ 第２パッド電極
２４ 第２細線電極
２５ ＩｎＧａＮ障壁層
２６ ＩｎＧａＮ井戸層
３２ Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層
３３、３４ 障壁
３５、３６ 擬フェルミレベル
３７、３８ 発光再結合領域
４１ レジスト膜
５２ 超格子バッファ層
５３ 透明導電膜
６５ 基板第１電極
６６ 基板第２電極
６７ 樹脂

Claims (6)

1. 第１導電型の第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に部分的に設けられ、第１導電型の第１不純物濃度を有する井戸層と前記第１不純物濃度より高い第１導電型の第２不純物濃度を有する障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の発光層と、
   前記発光層上に設けられ、バンドギャップが略一様で単一の組成を有する第２導電型の第２半導体層と、
   前記第１半導体層上に設けられた第１電極と、
   前記第２半導体層上に設けられ、前記発光層に平行な方向における前記第１電極との第１の距離が前記発光層に垂直な方向における前記第１電極との第２の距離より大きい第２電極と、
   を具備することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記発光層および前記第２半導体層には、前記第１半導体層の一部が露出するように、一端側に切り欠き部と、前記切り欠き部から他端側に向かう第１の方向に延在した湾入部が設けられ、
   前記第１電極は、前記切り欠き部に設けられた第１パッド電極と、前記第１パッド電極から前記湾入部に沿って設けられ第１細線電極を有し、
   前記第２電極は、前記他端側に設けられた第２パッド電極と、前記第２パッド電極から前記第１の方向に直交する第２の方向および前記第２の方向と反対の方向に延在し、曲折して前記第１の方向と反対の方向に延在する第２細線電極を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第２半導体層上に設けられた透明導電膜を具備し、
   前記第２電極は前記透明導電膜上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 中央部と前記中央部を囲む外周部を有する第１導電型の第１半導体層と、
   前記第１半導体層の前記中央部に設けられ、第１導電型の第１不純物濃度を有する井戸層と前記第１不純物濃度より高い第１導電型の第２不純物濃度を有する障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の発光層と、
   前記発光層上に設けられ、バンドギャップが略一様で単一の組成を有する第２導電型の第２半導体層と、
   前記第１半導体層上に前記外周部に沿って設けられた第１電極と、
   前記第２半導体層を覆うように設けられた第２電極と、
   を具備することを特徴とする半導体発光素子。
5. 前記第１不純物濃度が１Ｅ１６ｃｍ^−３以下、前記第２不純物濃度が２Ｅ１８ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記第１半導体層と前記発光層との間に、前記井戸層と組成が異なり、第１導電型の第３不純物濃度を有する井戸層と、前記第３不純物濃度より高い第１導電型の第４不純物濃度を有する障壁層が交互に積層された超格子バッファ層が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の半導体発光素子。

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