JP2014138008A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】全体が均一に発光し、高い発光効率で信頼性に優れ、製造コストが安く高性能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】第１導電型の第１の半導体層、活性層、第２導電型の第２の半導体層がこの順に積層されているＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる半導体構造層１１と、第１の半導体層上に形成されている第１の電極３７と、第２の半導体層上に形成されている第２の電極とを含み、第１の電極は第２の電極が形成されている領域と半導体構造層を挟んで対向している領域以外の領域に形成され、第２の電極は第２の半導体層とショットキー接合を形成している給電配線３３、及び給電配線から伸張し第２の半導体層とオーミック接合を形成している配線電極３１を含み、半導体構造層を挟んで給電配線が形成されている領域に対向する領域の第１の半導体層上に第１の半導体層とショットキー接合を形成している対向電極３９が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）素子に関する。

ＬＥＤ素子を搭載した発光装置が、照明、バックライト、産業機器等に従来から用いられてきた。特許文献１に記載されているようなＬＥＤ素子は、ＧａＡｓ基板またはサファイヤ基板等の成長基板上にＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法等を用いてＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＮ等の半導体層をエピタキシャル成長させ、成長基板上に成長した半導体層を導電性の支持基板に貼り合わせた後、成長基板を除去して製造されている。

特開２０１１−１６５８５３号公報 特開２００９−２１４１６号公報

上記したような発光素子には、活性層全体に電流を均一に拡散させて発光ムラをなくす為、ｎ電極直下の反射面側電極に透光性絶縁体層を挿入して、ｐ電極とｎ電極とが互い違いに配されるようにすることで、ｎ電極直下での電流集中を抑制し、電流を拡散させる方法が用いられているものがある（特許文献１）。このような発光素子において、活性層から見て光取り出し面側にあるｎ型半導体層の層厚を厚く（例えば、数千ｎｍ）することによって、ｎ型半導体層内での電流の水平方向拡散（活性層と平行な面内における電流拡散）を促進し、活性層全体を均一に発光させているものがある（特許文献２）。

しかし、ｎ型半導体層の層厚を厚くすると、半導体層内の不純物キャリアによる光の吸収が増加するため発光素子の光取り出し効率の低下が生じてしまう。さらに、半導体層の層厚を厚くすることで半導体膜を成長する時間が増加してしまい、製造コストの増加も生じてしまう。

ｎ型半導体層の抵抗を低抵抗とすることで水平方向電流拡散を改善させる方法もあるが、この場合（Ａｌ_ＺＧａ_１−Ｚ）_０．５Ｉｎ_０．５ＰのＡｌ組成Ｚを小さくする必要があるため、短波長側で活性層より放出される光の吸収の効果が生じ、ＬＥＤの出力が低下する。

また、ｎ型半導体層の層厚を薄くして、光吸収を抑制しようとすると、ｎ型半導体層内での電流の水平方向拡散が不十分になり、活性層の発光面積が減少してしまう。さらに、層厚の薄いｎ型半導体層内で電流集中が生ずることにより、静電破壊耐圧（ＥＳＤ耐圧）、特に逆方向バイアスの電流が流れる際の静電破壊耐圧が低下してしまう。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、全体が均一に発光し、高い発光効率で信頼性に優れ、また製造コストが安いなど、高性能なＬＥＤ素子等の半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の発光素子は、第１の導電型の第１の半導体層、活性層、及び第２の導電型の第２の半導体層がこの順に積層されているＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる半導体構造層と、当該第１の半導体層上の一部に形成されている第１の電極と、当該第２の半導体層上の一部に形成されている第２の電極と、を含み、当該第１の電極は、当該第２の電極が形成されている領域と当該半導体構造層を挟んで対向している領域以外の領域に形成されており、当該第２の電極は、当該第２の半導体層とショットキー接合を形成している給電配線、及び当該給電配線から伸張し、当該第２の半導体層とオーミック接合を形成している配線電極を含み、当該半導体構造層を挟んで当該給電配線が形成されている領域に対向する領域の当該第１の半導体層上に当該第１の半導体層とショットキー接合を形成している対向電極が形成されており、当該第２の半導体層は、当該活性層側からクラッド層、電流拡散機能層が順に形成されている構成を少なくとも含み、当該電流拡散機能層は複数の低抵抗層と、当該複数の低抵抗層の各々の間に挟まれており、当該複数の低抵抗層よりも抵抗率が高い高抵抗層とからなることを特徴とする。

本発明の実施例に係る発光素子の平面図である。 図１の２−２線に沿った断面図である。 発光素子内の順方向バイアス時の電流の流れを示す図である。 発光素子内の逆方向バイアス時の電流の流れを示す図である。 実施例及び比較例の発光素子発光分布、相対輝度を示す図である。 実施例及び比較例の発光素子の相対発光強度を示すグラフである。 図１の発光素子の製造工程を示す断面図である。 図１の発光素子の製造工程を示す断面図である。

以下に、赤色ＬＥＤ素子（発光ピーク波長：λ_０＝６１５ｎｍ程度）を例にして、本発明の実施例に係る発光素子１０について、図１及び図２を参照しつつ説明する。

半導体構造層１１は、ｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層からなる第１の導電型のｐ型半導体層１３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する活性層１５、並びにｎ型クラッド層１７、電流拡散機能層１９及び表面加工層２１からなる第２の導電型のｎ型半導体層２３が積層されている構造を有している。例えば、ｐ型コンタクト層は、Ｍｇがドープされ、層中のキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３である厚さ５００ｎｍのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｐの層であり、ｐ型クラッド層は、Ｍｇがドープされ、層中のキャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３である厚さ５００ｎｍのＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの層である。

活性層１５を構成する多重量子井戸構造は、例えば、井戸層を（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（厚さ２０ｎｍ）、バリア層を（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（厚さ１０ｎｍ）とし、１５層の井戸層を有している。なお、ｐ型半導体層１３及び活性層の各層の組成及び層厚は、上記したものに限定されるものではなく、発光波長等に合わせて適宜変更可能である。

上述のように、ｎ型半導体層２３は、ｎ型クラッド層１７、電流拡散機能層１９、表面加工層２１がこの順に積層されて構成されている。すなわち、ｎ型半導体層２３は、３層構造になっており、その中央の層として電流拡散機能層１９を有している。ｎ型クラッド層１７は、Ｓｉがドープされ、層中のキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である厚さ５００ｎｍのＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの層であり、表面加工層２１は、Ｓｉがドープされ、層中のキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である厚さ５００ｎｍのＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの層である。

電流拡散機能層１９は、Ｓｉがドープされており、層中のキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３であるｎ型の半導体層である。電流拡散機能層１９は、Ａｌ組成の差異によって電気抵抗率が異なる複数の層からなっており、比較的抵抗が低い複数の低抵抗層によって、比較的抵抗が高い高抵抗層が挟みこまれる構成になっている。なお、層中のＡｌ組成が低くなるほど、電気抵抗率は低くなり及び屈折率は高くなる。電流拡散機能層１９は、例えば、ｎ型クラッド層１７側から、組成が（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで層厚１５０ｎｍである第１の低抵抗層２５、組成が（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで層厚１００ｎｍである高抵抗層２７、及び組成が（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで層厚１５０ｎｍである第２の低抵抗層２９からなっている。

ｎ型半導体層２３の各層内の電気抵抗率は、上記したようにＡｌ組成が低くなるほど低くなり、また、層中のキャリア濃度が高いほど低くなる。各層の電気抵抗率は、ｎ型クラッド層１７及び表面加工層２１が０．１４Ω・ｃｍ、電流拡散機能層１９の第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層２９が０．０１Ω・ｃｍ、高抵抗層２７が０．１３Ω・ｃｍとなっている。すなわち、ｎ型半導体層２３は、ｎ型クラッド層１７及び表面加工層２１を含めて、抵抗が高い高抵抗層と高抵抗層よりも抵抗が低い低抵抗層とが交互に配列されている構造となっている。なお、第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層２９に対する高抵抗層２７の比抵抗は、後述する素子の水平方向、すなわち活性層１５の上面と平行な面内方向の電流拡散を良好に維持するために１０倍以上であるのが好ましい。また、第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層２９の各々の層厚は、第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層２９と高抵抗層２７、ｎ型クラッド層１７及び表面加工層２１との界面で発生する全反射によって発生する電流拡散機能層１９における光の閉じ込めの発生を防止するために、活性層１５から出射される光の第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層内２９内での波長λ（＝λ_０／ｎ、ｎは第１及び第２の低抵抗層の屈折率）未満であるのが好ましい。

なお、ｎ型クラッド層１７及び表面加工層２１の組成は、上記したものに限らないが、ＧａＡｓ基板上に成長させることが可能であり、活性層１５から出射される光に対して十分な透光性を有する範囲である、例えば（Ａｌ_ＺＧａ_１−Ｚ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ （０．６５≦Ｚ≦１．０、０．４５≦ｘ≦０．５５）のような組成であるのが好ましい。また、電流拡散機能層１９の第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層２９の組成は、上記したものに限らないが、後述するように、電流拡散機能層１９を含むｎ型半導体層２３において水平方向に電流が十分広がり活性層１５を均一に発光させることができ、電流拡散機能層１９による活性層１５から出射された光の吸収の影響を無視できる範囲である、例えば（Ａｌ_ＺＧａ_１−Ｚ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（０．３０≦Ｚ≦０．５０、０．４５≦ｘ≦０．５５）のような組成であるのが好ましい。

半導体構造層１１のｎ型半導体層２３の上面、すなわち光取り出し面上には、ｎ配線電極３１及びｎ配線電極３１に電力を供給するためのｎ給電配線３３が形成されている。ｎ配線電極３１は、ＡｕＧｅＮｉからなり、ｎ型半導体層２３上に互いに平行に配され、ｎ型半導体層２３とオーミック接合を形成している線状電極として形成されている（本実施例では、３本の互いに平行な直線上に配置されている）。ｎ配線電極３１は、ｎ型半導体層２３とオーミック接合を形成できる他の金属、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｎＮｉ等で形成されていてもよい。

ｎ給電配線３３は、ｎ型半導体層２３の上面に、ｎ型半導体層２３の上面中央の後述するボンディングパッド３５を形成する円状の領域から十字方向に伸張し、ｎ配線電極３１の各々の一部を覆うように形成されており、ｎ配線電極３１と電気的に接続している。ｎ給電配線３３は、ｎ型半導体層２３及びｎ配線電極３１上に、Ｔｉが１００ｎｍ堆積されて形成されており、ｎ型半導体層２３とショットキー接合を形成している。このショットキー接合は、ｎ給電配線３３からｎ型半導体層２３内に向けて流れる電流が順方向電流となるような整流特性を有する接合となっている。なお、ｎ給電配線３３の材料は、ｎ型半導体層２３とショットキー接合を形成する金属であればよく、ＴａＮ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、これらの窒化物、またはこれらのシリサイドを使用することも可能である。また、ｎ給電配線３３とｎ型半導体層２３との間で形成されるショットキー接合のショットキー障壁は、半導体構造層１１内に動作電流が流れ始めるまでの配線抵抗を含む順方向電圧降下（Ｖ_Ｆ）（例えば、０．２Ｖ）よりも高く、０．５Ｖ以上であるのが好ましい。

ｎ給電配線３３の上面の中央には、ボンディングパッド３５が形成されている。ボンディングパッド３５は、ｎ給電配線３３上にＡｕが１０００ｎｍ堆積されて形成されており、直径が７０μｍの円柱形状を有している。ｎ給電配線３３がＴｉ以外の材料で形成されている場合には、ボンディングパッド３５は、ｎ給電配線３３の上面のボンディングパッド３５を形成する領域にＴｉ等の密着性の高い金属を形成し、その上にＡｕを堆積することで形成されてもよい。なお、ボンディングパッド３５は、角柱状、錐台形状等任意の形状をとることが可能である。

半導体構造層１１の光取り出し面と反対側の面上（すなわちｐ型半導体層１３の表面）の一部領域には、ｐ電極３７が形成されている。ｐ電極３７は、半導体構造層１１を挟んでｎ配線電極３１及びｎ給電配線３３が形成されている領域と対向する領域以外の領域に形成されている。すなわち、ｐ電極３７とｎ配線電極３１及びｎ給電配線３３とは、半導体構造層１１の主面（成長面）と平行な投影面において互いに重ならないように配されている。本実施例においては、ｐ電極３７は、ｎ配線電極３１の伸長方向と平行に伸張する電極であり、半導体構造層の上面方向から見た場合に、ｎ配線電極３１を挟み込む４本の直線上に形成されている。ｐ電極３７は、ｐ型半導体層とオーミック接合を形成する金属、例えば、ＡｕＺｎからなり、１００ｎｍの厚さを有している。

半導体構造層１１を挟んでボンディングパッド３５が形成されている領域と対向する領域（ボンディングパッド３５の真下）のｐ型半導体層１３の表面には、ｐ型半導体層１３とショットキー接合を形成する対向電極３９が形成されている。対向電極３９は、ｐ型半導体層１３とショットキー接合を形成する材料、例えば、Ａｕからなる厚さ１００ｎｍで直径が７０μｍの円柱体である。このショットキー接合は、ｐ型半導体層１３から対向電極３９内に流れる電流が順方向電流となるような整流特性を有する接合となっている。なお、対向電極３９は、角柱状、錐台形状等任意の形状をとることが可能である。また、対向電極３９の材料は、ｐ型半導体層１３とショットキー接合を形成する材料であればよく、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、これらの窒化物（ＴａＮ、ＷＮ等）、またはこれらのシリサイド（ＷＳｉ、ＴａＳｉ等）を使用することも可能である。

ｐ型半導体層１３の表面の、ｐ電極３７及び対向電極３９を介して露出している領域には、透光性絶縁層４１が形成されている。透光性絶縁層４１は、絶縁性を有する透光性材料、例えば、ＳｉＯ_２からなる層厚１００ｎｍの層である。透光性絶縁層４１の材料としては、ＳｉＯ_２以外にもＳｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等の他の透光性を有する絶縁性材料も用いることができる。

ｐ電極３７、対向電極３９及び透光性絶縁層４１の半導体構造層１１に接している面と反対側の面上には、反射金属層４３が形成されている。反射金属層４３は、光反射性の高い金属、例えばＡｕＺｎからなり、２００ｎｍの層厚を有している。なお、反射金属層４３には、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ等の他の光反射性の高い金属を用いてもよい。

半導体側接合層４５は、反射金属層４３のｐ電極３７、対向電極３９及び透光性絶縁層４１と接している面と反対側の表面上に形成されている。半導体側接合層４５は、反射金属層４３側からＴａＮ（層厚１００ｎｍ）、ＴｉＷ（層厚１００ｎｍ）、ＴａＮ（１００ｎｍ）、Ｎｉ（層厚３００ｎｍ）、Ａｕ（層厚３０ｎｍ）がこの順に積層されている層である。

支持基板側接合層４７は、上面及び下面にＰｔからなるオーミック金属層（図示せず）を有するＳｉ等の導電性基板である支持基板４９上に、Ｔｉ（層厚１５０ｎｍ）、Ｎｉ（層厚１５０ｎｍ）、ＡｕＳｎ（層厚６００ｎｍ）がこの順に形成されている層であり、半導体側接合層４５と共晶接合している。支持基板４９は、例えば、一辺が３５０μｍの正方形の上面形状を有している。なお、支持基板４９は、導電性を有し熱伝導率が高い材料であれば、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃｕ、ＣｕＷ等の他の材料を用いてもよい。

ここで、図３を用いて、通常の動作時（例えば、１０Ｖ以下の順方向電圧が印加されている場合）の発光素子１０の半導体構造層１１内での電流の流れについて説明する。図３は、図２の領域Ａの部分拡大図である。図３の太線矢印で示すように、通常の動作時において、半導体構造層１１内では、ｐ電極３７とｎ配線電極３１との間に電流が流れている。図３に示すように、電気抵抗率が比較的低い第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層２９から電気抵抗率が比較的高い高抵抗層２７及び表面加工層２１へは電流が流れ込みにくい。そのため、電流は第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層２９において水平方向、すなわち活性層１５の上面と平行な面内方向に拡散する。なお、ｎ給電配線３３及び対向電極３９は、それぞれｎ型半導体層２３及びｐ型半導体層１３とショットキー接合を形成しているので、通常の動作時においては、ｎ給電配線３３とｐ電極３７または対向電極３９との間、及びｎ配線電極３１と対向電極３９との間には電流は流れない。

本実施例のように、電流拡散機能層１９を、第１の低抵抗層、第２の低抵抗層及びこれらに挟まれかつ第１及び第２の低抵抗層よりも抵抗率が高い高抵抗層によって形成することで、電流拡散機能層１９において水平方向に電流が十分広がり、活性層１５を均一に発光させることが可能である。また、電流拡散機能層１９のうち、Ａｌ組成が低く活性層１５からの発光を吸収しやすい低抵抗層２５、２９を非常に薄く形成することが可能であるので、電流拡散機能層１９における光の吸収を低減しつつ、発光素子の光取り出し効率を向上させることが可能である。

なお、上述のようにｎ型クラッド層１７、高抵抗層２７及び表面加工層２１よりＡｌ組成が低く屈折率が高い低抵抗層２５、２９の膜厚を活性層１５から出射される光の電流拡散機能層１９内での波長λ（＝λ_０／ｎ）未満にすることで、第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層２９と高抵抗層２７、ｎ型クラッド層１７及び表面加工層２１との界面で発生する全反射によって発生する電流拡散機能層１９における光の閉じ込めの発生を防止することが可能である。また、水平方向電流拡散を向上させることにより、対向電極３９直下で遮蔽される光を減少させることができるようになるため、光出力を向上させることが可能である。

さらに、本実施例では、例えば５００ｎｍ以下の薄い電流拡散機能層１９とすることを可能にすることによって、ｎ型半導体層２３全体を薄くすることができ、半導体構造層の成長時間が短縮でき、発光素子の製造コストを削減することが可能である。さらに、光の透過率が低い低抵抗の層を、例えば３００ｎｍ以下にすることが可能であるので、ｎ型半導体層２３での光の吸収を抑制しつつ、素子の水平方向の電流拡散効果を得ることが可能である。

次に、発光素子１０内に、逆方向バイアス電圧が印加された場合（例えば、１００Ｖ以上の高電圧が印加された場合）の電流の流れを図４に示す。図４は、図３と同様に図２の領域Ａの部分拡大図である。図４の太線矢印で示すように、逆方向電流が流れた場合、電流は、ｎ配線電極３１とｐ電極３７との間だけではなく、ｎ型半導体層２３とショットキー接合を形成しているボンディングパッド３５下のｎ給電配線３３と、ｐ型半導体層１３とショットキー接合を形成している対向電極３９との間にも流れる。従って、ｎ配線電極３１とｐ電極３７との間の経路に流れるはずの電流を、ボンディングパッド３５下のｎ給電配線３３と対向電極３９との間の経路にも分散させ、ｎ配線電極３１とｐ電極３７との間の経路に流れる電流の量を低下させることができる。よって、発光素子の静電破壊耐圧、特に、逆方向バイアス電圧がかかった際の静電破壊耐圧を向上させることが可能である。

本実施例の発光素子１０のように、電流拡散機能層１９内に、電気抵抗率が比較的低く、薄い層（例えば１００ｎｍ以下の層）である低抵抗層２５、２９を挿入する構造をとる場合、低抵抗層２５、２９において、電流集中が生じやすく、それによる静電破壊耐圧の低下が生じ易い。しかし、上述のように、対向電極３９を形成することによって、薄膜の電流拡散機能層１９を用いて光吸収を抑制しつつ、高い電流拡散効果を得ることができ、かつ非常に信頼性の高い発光素子を得ることができる。

上記実施例との比較のため、比較例のサンプルを作成し、それらの特性の評価を行った。比較例１の発光素子は、電流拡散機能層１９が、キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３、組成が（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで層厚３００ｎｍの低抵抗層からなる単層構造である以外は、実施例の発光素子１０と同一の構成を有している。比較例２の発光素子は、電流拡散機能層１９が、キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３、組成が（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで層厚５００ｎｍの低抵抗層からなる単層構造である以外は、実施例の発光素子１０と同一の構成を有している。

図５に実施例、並びに比較例１及び２の発光素子の上面から見た際の発光分布（ＮＦＰ：near -field pattern）、及び各々の発光素子のｎ配線電極３１近傍の発光強度を１とした場合の発光素子端部領域の相対輝度を示す。また、図６に、実施例、並びに比較例１及び２の発光素子の上面から見た際の発光分布（ＮＦＰ：near -field pattern）について、ｎ配線電極３１からの距離と発光強度の関係を示している。図５の発光分布においては、光の強度を色の濃淡で示しており、色の濃い部分ほど明るく光っていることを示している。発光分布は、発光素子の上面の光取り出し面に平行な面における電流分布に依存しており、均一に発光しているということは、電流が良好に拡散して発光素子全体に均一に流れているということを示している。図５及び図６から明らかなように、比較例１の発光素子の場合、光取出し面側のｎ配線電極付近のみが強く発光しており、端部領域の相対輝度は０．３０となっていることから、ｎ配線電極直下に電流が集中し、発光素子全体に電流が均一に流れていないことが分かる。

比較例２の発光素子の場合、Ａｌ組成が低く電気抵抗率が低い低抵抗層を比較例１の発光素子よりも厚くしているので、比較例１の発光素子よりも電流拡散機能層における電流の水平方向拡散がさらに促進され、端部領域の相対輝度も０．８８となっており発光素子全体が均一に光っている。

上記実施例の発光素子の場合、比較例２の発光素子と同様に、発光分布は均一となっているので電流は面内に一様に拡散していることがわかる。さらに、端部領域における相対輝度は、比較例２の発光素子よりも高く０．９１となっており、比較例２の発光素子よりもさらに電流拡散が良好になされていることがわかる。また、Ａｌ組成が低く活性層１５から出射した光を吸収してしまう低抵抗の層が比較例２の発光素子よりも薄いので、電流拡散機能層による光の吸収が比較例２の発光素子より少ない。さらに、実施例では、比較例１と異なり、Ａｌ組成が低く隣接する層よりも屈折率が高い低抵抗の層の膜厚が、活性層１５から出射される光の媒体内波長未満となるので、低抵抗の層と隣接する層との界面で発生する全反射によって発生する光の閉じ込め効果が生じない。従って、この比較からも、上記実施例の発光素子が、全体が均一に発光し、高い発光効率で信頼性に優れた発光素子であることがわかる。

以下に、上述した発光素子１０を製造する方法について、図１の２−２線に沿った発光素子１０の断面における製造過程の図である図７（ａ）−（ｄ）及び図８（ａ）−（ｂ）を用いて説明する。最初に、半導体構造層１１の結晶成長に使用する成長基板３７として（１００）面から［０１１］方向に１５°傾斜させた厚さ３００μｍのｎ型ＧａＡｓ基板を用意し、半導体構造層１１をＭＯＣＶＤ法により成膜する。

まず、成長基板３７上に表面加工層２１、電流拡散機能層１９、ｎ型クラッド層１７を形成した（図７（ａ））。表面加工層２１は、Ｓｉがドープされ、層中のキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である厚さ５００ｎｍのＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの層とし、ｎ型クラッド層１７は、Ｓｉがドープされ、層中のキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３である厚さ５００ｎｍのＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの層とする。電流拡散機能層１９は、表面加工層２１の上面から第２の低抵抗層２９、高抵抗層２７及び第１の低抵抗層２５が順に成長させられることで形成され、各層にはＳｉがドープされ、層中のキャリア濃度が２×１０^１８ｃｍ^ー３とされる。また、第２の低抵抗層２９は、組成が（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで層厚１５０ｎｍとされ、高抵抗層２７は、組成が（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで層厚１００ｎｍとされ、第１の低抵抗層２５は、組成が（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐで層厚１５０ｎｍとされる。

次に、活性層１５、並びにｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層からなるｐ型半導体層１３をこの順に成膜し、半導体構造層１１を完成する（図７（ｂ））。ｐ型クラッド層は、Ｍｇがドープされ、層中のキャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３である厚さ５００ｎｍのＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの層とし、ｐ型コンタクト層は、Ｍｇがドープされ、層中のキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３である厚さ５００ｎｍのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｐの層とした。活性層１５を構成する多重量子井戸構造は、例えば、井戸層を（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（厚さ２０ｎｍ）、バリア層を（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（厚さ１０ｎｍ）とし、１５層の井戸層を有するように形成した。

なお、ｐ型コンタクト層には、活性層１５からの光を吸収しない範囲でＩｎを含めることができ、井戸層のＡｌ組成比Ｚは発光波長に合わせて０≦Ｚ≦０．４の範囲で調整することができる。また、V族原料としてホスフィン（ＰＨ_３）を使用し、III族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）の有機金属を使用した。また、ｎ型不純物であるＳｉの原料としてシラン（ＳｉＨ_４）を使用し、ｐ型不純物であるＭｇの原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を使用した。成長温度は７５０〜８５０℃とし、キャリアガスに水素を使用し、成長圧力は１０ｋＰａとした。

次に、ｐ型半導体層１３上にプラズマＣＶＤ法により透光性絶縁層４１を構成するＳｉＯ_２膜を１００ｎｍの厚さで形成する。続いて、ＳｉＯ_２膜上にレジストマスクを形成した後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いてエッチングを行うことにより、ＳｉＯ_２膜にｐ電極３７及び対向電極３９のパターンに対応したパターニングを施した。ＳｉＯ_２膜を除去した部分において開口部が形成され、この開口部においてｐ型半導体層１３が露出する（図７（ｃ））。尚、ＳｉＯ_２膜の成膜方法として熱ＣＶＤ法やスパッタ法を用いることもできる。また、ＳｉＯ_２膜のエッチング方法としてドライエッチング法を用いることも可能である。透光性絶縁層４１の材料としては、ＳｉＯ_２以外にもＳｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等の他の透光性を有する絶縁性材料も用いることができる。

次に、ＥＢ蒸着法により、上記透光性絶縁層４１の開口部を介して露出しているｐ型半導体層１３上に、ｐ電極３７及び対向電極３９を形成する。具体的には、まず、ｐ型半導体層１３及び透光性絶縁層４１上の対向電極３９を形成する領域以外の領域にレジストを形成し、その上からＡｕをＥＢ蒸着によって層厚１００ｎｍとなるように堆積し、リフトオフを行って対向電極３９を形成する。その後、対向電極３９上及び透光性絶縁層４１上にレジストを形成し、その上からＡｕＺｎをＥＢ蒸着によって１００ｎｍとなるように堆積し、リフトオフによって対向電極３９及び透光性絶縁層４１上に堆積されたＡｕＺｎを除去することによってｐ電極３７を形成する。その後、ｐ電極３７、対向電極３９、及び透光性絶縁層４１上にＥＢ蒸着法によりＡｕＺｎを２００ｎｍ堆積し反射金属層４３を形成した（図７（ｄ））。

なお、上記したように、対向電極３９の材料は、ｐ型半導体層１３とショットキー接合を形成する材料であればよく、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、これらの窒化物（ＴａＮ、ＷＮ等）、またはこれらのシリサイド（ＷＳｉ、ＴａＳｉ等）を使用することも可能である。また、後に形成される半導体構造層１１の光取り出し面側に形成されるｎ配線電極３１の形成において、熱処理が必要な場合には、上記窒化物（ＴａＮ、ＷＮ等）またはシリサイド（ＷＳｉ、ＴａＳｉ等）の耐熱性のある材料を用いるのが好ましい。また、反射金属層４３には、上記したように、光反射性の高い他の材料、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ等を用いることも可能である。

なお、ｐ電極３７、対向電極３９及び反射金属層４３を同一の材料で形成する場合には、これらを一工程で形成すべく、透光性絶縁層４１を形成した後に、透光性絶縁層４１上にＥＢ蒸着法等で層厚３００ｎｍとなるように金属材料を堆積することとしてもよい。このように、ｐ電極３７及び対向電極３９を同一の材料で形成する場合、すなわちｐ型半導体層とオーミック接合可能な材料で対向電極３９を形成する場合には、ｐ型半導体層１３の対向電極３９と接する領域のキャリア濃度を制御することでｐ型半導体層１３の対向電極３９とのショットキー接合を形成することとしてもよい。例えば、ｐ型半導体層１３が活性層に接して形成されているクラッド層とそれよりもキャリア濃度の高いコンタクト層から形成されている場合に、対向電極３９を形成する領域のコンタクト層をエッチングにより除去し、キャリア濃度の低いクラッド層に接して対向電極３９を形成し、ｐ型半導体層１３と対向電極３９との間でショットキー接合を形成することとしてもよい。

また、対向電極３９の形成後のアニール条件の変更、対向電極３９を形成する領域のｐ型半導体層１３の成長条件の変更によっても、対向電極３９とｐ型半導体層１３とのショットキー接合を実現することが可能である。

次に、反射金属層４３上に半導体側接合層４５を形成する。具体的には、例えば、電子ビーム真空蒸着法によりＴａＮ（層厚１００ｎｍ）、ＴｉＷ（層厚１００ｎｍ）、ＴａＮ（１００ｎｍ）、Ｎｉ（層厚２００ｎｍ）、Ａｕ（層厚３０ｎｍ）を順に成膜して積層する（図８（ａ））。なお、半導体側接合層４５の形成には、抵抗加熱蒸着法やスパッタ法を用いることも可能である。

次に、上面に支持基板側接合層４７が形成されている支持基板４９を用意する。例えば、支持基板４９は、上面及び下面にＥＢ蒸着法によりＰｔからなる層厚２００ｎｍのオーミック金属層（図示せず）が形成されているＳｉ基板である。支持基板側接合層４７は、スパッタ法等により、支持基板４９上にＴｉ（層厚１５０ｎｍ）、Ｎｉ（層厚１５０ｎｍ）、ＡｕＳｎ（層厚６００ｎｍ）がこの順に形成されている。

次に、半導体側接合層４５の表面と支持基板側接合層４７の表面とを接触させて、互いに対して圧力１ＭＰａで押圧しつつ、温度３３０℃の窒素雰囲気下で１０分間かけて熱圧着を行うことにより支持基板４９を貼り付ける。その後、例えば、アンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより成長基板３７を除去する（図８（ａ））。なお、成長基板３７の除去は、ドライエッチング、機械研磨法、もしくは化学機械研磨（ＣＭＰ）法、またはこれらの方法を組み合わせて行ってもよい。なお、光取り出し効率を向上させる為に、露出したｎ型半導体層表面には、ウェットエッチング等で凹凸加工を施す事が好ましい。

上記処理の終了後、ｎ型半導体層２３上にｎ配線電極３１、ｎ給電配線３３及びボンディングパッド３５を形成する（図８（ｂ））。ｎ配線電極３１は、ｎ型半導体層２３上にＡｕＧｅＮｉをＥＢ蒸着法により堆積させた後に、リフトオフ法によりパターニングを行って形成する。続いて、ｎ型半導体層２３の上面及びｎ配線電極３１を覆うように、Ｔｉ（層厚１００ｎｍ）をＥＢ蒸着等で順に堆積し、リフトオフ法によりパターニングを行って、ｎ給電配線３３を形成した。その後、Ａｕを１０００ｎｍ堆積し、リフトオフ法によりパターニングを行ってボンディングパッド３５を形成した。なお、ｎ配線電極３１は、ｎ型半導体とオーミック接合を形成することが可能な材料で形成されていればよく、例えば、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｎＮｉ等を用いて形成してもよい。

最後に、ｎ型半導体層２３とｎ配線電極３１との間でのオーミック接合の形成を促進するために、４００℃の窒素雰囲気下で熱処理を行い、発光素子１０が完成する。

上記実施例においては、電流拡散機能層１９上に表面加工層２１を形成することとしたが、表面加工層２１は形成しなくともよい。すなわち、ｎ型半導体層２３は、ｎ型クラッド層１７、電流拡散機能層１９がこの順に積層されている構成を少なくとも含めばよい。表面加工層２１を形成しない場合でも、電流は電流拡散機能層１９内で水平方向に十分に拡散させられ、活性層１５は均一に発光させられる。

上記実施例においては、電流拡散機能層１９の第１の低抵抗層２５及び第２の低抵抗層２９のＡｌ組成を同一のものとしたが、第１の低抵抗層２５よりも第２の低抵抗層２９のＡｌ組成を低くして屈折率を高くすることで、電流拡散機能層１９全体として、光取り出し面に向かって実効的な屈折率が増加するようにしてもよい。このようにすることで、活性層１５から出射した光が光取り出し面側に誘導されることとなり、発光素子の光取り出し効率がさらに向上することとなる。また、電流拡散機能層１９全体として、光取り出し面に向かって実効的な屈折率を増加させるために、第２の低抵抗層２９の屈折率を第１の低抵抗２５の屈折率以上にしつつ、第１の低抵抗層２５よりも第２の低抵抗層２９の層厚を増加させることとしてもよい。

また、上記実施例においては、電流拡散機能層１９が、ｎ型クラッド層１７側から順に第１の低抵抗層２５、高抵抗層２７、及び第２の低抵抗層２９の３層構造である場合を説明したが、低抵抗層で高抵抗層を挟み込む構成であるならばさらに多層の構造をとることとしてもよい。例えば、電流拡散機能層１９が３層の低抵抗層及び２層の高抵抗層からなり、ｎ型クラッド層１７側から、低抵抗層、高抵抗層、低抵抗層、高抵抗層、低抵抗層と積層することとしてもよい。このようにしても、各低抵抗層において電流の水平方向拡散が発生し、電流が十分広がり活性層１５が均一に発光することとなる。

また、上記実施例においては、第１の導電型がｐ型であり、第２の導電型がｎ型の発光素子の場合について説明してきたが、第１の導電型がｎ型であり、第２の導電型がｐ型であってもよい。この場合でも、ｐ型半導体層内に、複数の低抵抗層の各々に挟まれた高抵抗層を形成することで、半導体構造層の厚みを薄く保って光取り出し効率を向上させつつ、発光素子の水平方向電流拡散を良好なものにし、発光効率を向上させることが可能である。

また、上記実施例においては、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体構造層を有する発光素子について説明してきたが、上記複数の低抵抗層の各々に挟まれた高抵抗層を形成する構成を、ＡｌＧａＮ系の半導体構造層等、他の材料系の半導体構造層にも適用可能である。その場合でも、半導体構造層の厚みを薄く保って光取り出し効率を向上させつつ、発光素子の水平方向電流拡散を良好なものにし、発光効率を向上させることが可能である。

また、上記実施例においては、半導体構造層を支持基板に貼り付けた後に成長基板を剥離して製造する、いわゆるシンフィルムタイプの発光素子について説明してきたが、本発明は、半導体構造層の成長後に成長基板を除去しないで製造するタイプの発光素子にも適用可能である。

上述した実施例における種々の数値、寸法、材料、電極の配置等は、例示に過ぎず、用途及び製造される半導体発光素子等に応じて、適宜選択することができる。
１０ 発光素子
１１ 半導体構造層
１３ ｐ型半導体層
１５ 活性層
１７ ｎ型クラッド層
１９ 電流拡散機能層
２１ 表面加工層
２３ ｎ型半導体層
２５ 第１の低抵抗層
２７ 高抵抗層
２９ 第２の低抵抗層
３１ ｎ配線電極
３３ ｎ給電配線
３５ ボンディングパッド
３７ ｐ電極
３９ 対向電極
４１ 透光性絶縁層
４３ 反射金属層
４５ 半導体側接合層
４７ 支持基板側接合層
４９ 支持基板
５１ 成長基板

Claims (5)

1. 第１の導電型の第１の半導体層、活性層、及び第２の導電型の第２の半導体層がこの順に積層されているＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる半導体構造層と、
   前記第１の半導体層上の一部に形成されている第１の電極と、
   前記第２の半導体層上の一部に形成されている第２の電極と、を含み、
   前記第１の電極は、前記第２の電極が形成されている領域と前記半導体構造層を挟んで対向している領域以外の領域に形成されており、
   前記第２の電極は、前記第２の半導体層とショットキー接合を形成している給電配線、及び前記給電配線から伸張し、前記第２の半導体層とオーミック接合を形成している配線電極を含み、
   前記半導体構造層を挟んで前記給電配線が形成されている領域に対向する領域の前記第１の半導体層上に前記第１の半導体層とショットキー接合を形成している対向電極が形成されており、
   前記第２の半導体層は、前記活性層側からクラッド層、電流拡散機能層が順に形成されている構成を少なくとも含み、前記電流拡散機能層は、複数の低抵抗層と、前記複数の低抵抗層の各々の間に挟まれており、前記低抵抗層よりも抵抗率が高い高抵抗層とからなることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記複数の低抵抗層において、前記活性層から遠い層が前記活性層に近い層よりもＡｌ組成が小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記複数の低抵抗層において、前記活性層から遠い層が前記活性層に近い層よりも層厚が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記複数の低抵抗層の各々の層厚が、前記活性層から出射する光の前記複数の低抵抗層の各々内での波長未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の半導体発光素子。
5. 前記複数の低抵抗層に対する前記高抵抗層の比抵抗が１０倍以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の半導体発光素子。