JP2014232841A - 半導体発光素子及び半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用ヘッドライト等の用途に適した、高駆動電力下での高電力変換効率、均一輝度分布、均一色分布の半導体発光素子及び半導体発光装置を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、第１導電型第１半導体層２と、発光層３と、第２導電型第２半導体層４とを含む半導体積層と、半導体積層第２半導体層４側から発光層３を貫通して第１半導体層２を露出するビア孔ＶＨと、第２半導体層４周縁およびビア孔ＶＨから離隔されて、第２半導体層４上に延在し、光反射性の第２半導体側電極５と、ビア孔ＶＨ底面の一部を露出し、発光層３、第２半導体層４のビア孔内ＶＨ側面を覆い、第２半導体側電極５周縁部を覆う絶縁層１２と、ビア孔ＶＨの底部で第１半導体層２と電気的に接続し、絶縁層１２を介して、第２半導体層４及び第２半導体側電極５上方に引き出され、第２半導体側電極５にオーバーラップして配置され、光反射性の第１半導体側電極１３と、を有する。
【選択図】図１−１

Description

本発明は、半導体発光素子及び半導体発光装置に関する。

ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層が積層された半導体発光素子には、ｎ型半導体層、ｐ型半導体層と電気的に接続されたｎ側電極及びｐ側電極が必要である。例えば、ｐ型半導体層全面上に透明電極が形成され、透明電極の一部上にｐ側電極が形成され、絶縁層で覆われる。ｐ型半導体層、活性層を貫通し、ｎ型半導体層に達するビア孔を形成し、ビア孔に露出したｎ型半導体層上にｎ側ビア電極を形成すると、同じｐ型半導体層側表面に、ｎ側電極及びｐ側電極を配置することができる。

例えば、ビア孔内で、接合層上に形成するビア電極の径を１０〜３０μｍ（両端を含む）、ビア電極中心間距離（ピッチ）を７５〜１２５μｍとし、ビア電極の全接触面積を半導体面積の１−３％にすることが提案されている(例えば特許文献１、２参照)。

特開２０１１−０６６３０４号公報 特表２０１１−５１７０６４号公報

半導体発光装置からの出力光を直接レンズに入射させ、対象領域に照射する車両用ヘッドライトが開発されている。このような用途においては、例えば１０Ｗ以上という高い駆動電力における１００ｌｍ／Ｗという高い電力変換効率、均一輝度分布、均一色分布等の特性が望まれる。

本発明の一目的は、車両用ヘッドライト等の用途に適した、高駆動電力下での高電力変換効率、均一輝度分布、均一色分布の半導体発光素子及び半導体発光装置を提供することである。

本発明の一観点によれば、
第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置された発光層と、前記発光層上に配置され、前記第１導電型と逆の第２導電型を有する第２半導体層とを含む半導体積層と、
前記半導体積層の前記第２半導体層側から前記発光層を貫通して形成され、前記第１半導体層を露出する、複数のビア孔と、
前記第２半導体層の周縁および前記複数のビア孔それぞれから離隔されて、前記第２半導体層上に延在し、光反射性を有する第２半導体側電極と、
前記複数のビア孔それぞれの底面の少なくとも一部を露出し、少なくとも前記発光層、第２半導体層の前記ビア孔内側面を覆い、前記第２半導体側電極の周縁部を覆う絶縁層と、
前記複数のビア孔それぞれの底部で前記第１半導体層と電気的に接続し、前記絶縁層を介して、前記第２半導体層及び前記第２半導体側電極の上方に引き出され、前記第２半導体側電極に平面視上オーバーラップして配置され、光反射性を有する複数の第１半導体側電極と、
を有する
半導体発光素子
が提供される。

高い駆動電力下において、高い電力変換効率を得ることが可能となる。面内輝度分布、色分布を低減することができる。

と、 図１Ａ、１Ｂは、実施例により、第１半導体層、活性層、第２半導体層を含む半導体積層上に第２半導体側電極層を形成し、パターニング用マスクを形成した状態を示す概略断面図と概略平面図、図１Ｃ、１Ｄは、第２半導体層、活性層を貫通するビア孔を形成し、第１半導体層と電気的に接続された第１半導体側電極を形成した状態を示す概略断面図と概略平面図、図１Ｅは支持基板を結合した状態の概略断面図、図１Ｆは支持基板を結合した後、成長基板を剥離する状態を示す概略断面図、図１Ｇは、１連のＬＥＤ素子を含む出射表面上に蛍光体粉末を含む樹脂層を形成した状態を示す概略断面図、図１Ｈは図１Ｇの状態に相当する概略平面図である。 と、 と、 と、 と、 と、 と、 と、 図２Ａ−図２Ｌは、実施例による半導体発光装置の製造工程を示す概略断面図である。 図３は、ｎ側電極１３近傍の概略断面図である。 図４Ａは、ビア孔を用いたｎ側電極のピッチの変化を示す概略平面図、図４Ｂは、ビアピッチの変化に対する電力変換効率の変化を示す計算値、測定値のグラフである。 図５Ａはシミュレーションで求めた、ｎ側電極の接触面積サイズの変化に対する電力変換効率の変化を示すグラフ、図５Ｂはシミュレーションで求めた、半導体層の面積に対するｎ側電極の接触面積割合の変化に対する電力変換効率の変化を示すグラフである。 図６Ａ及び図６Ｂは、応用例による車両用灯具の概略断面図である。

半導体発光装置は、通常、成長基板上にエピタキシャル成長層を積層して形成する。例えば、サファイヤ基板上に、ｎ型ＧａＮ系半導体層、ＧａＮ系発光層、ｐ型ＧａＮ系半導体層を積層したＧａＮ系半導体積層を形成する。サファイヤ基板は、絶縁層であり、電極の一部として用いることはできない。ＧａＮ系半導体積層上にｐ側電極、ｎ側電極を形成することになる。出射光は、通常、サファイヤ基板側から取り出す。

サファイヤの熱伝導性は高くない。サファイヤ基板は、成長基板としての役割を果たした後は、物理的支持機能以外に積極的な機能を有さないと言えよう。熱伝導性の高いシリコン基板等をｐ型ＧａＮ系半導体層上に接着し、成長基板のサファイヤ基板を剥離し、ｎ型ＧａＮ系半導体層側から出力光を出射させる構成が開発されている。サファイヤ基板の除去により放熱特性が改善可能であり、ｎ型ＧａＮ系半導体層表面にマイクロコーン加工等を行うことが可能となり、より特性のよい半導体発光装置を形成することが可能となる。以下、成長基板を除去して、ｎ型半導体層を露出させる場合を考察する。

車両用の前照灯（ヘッドランプ）には、均一な輝度分布、均一な色分布を有する高出力光を発生できる半導体発光装置が望まれる。成長基板を剥離し、露出するｎ型ＧａＮ系半導体層を光出射面とする半導体発光装置が有望である。裏面側となるｐ型ＧａＮ系半導体層表面に広く反射電極を形成することにより、光出力を増大することができる。ｎ側電極として、ｐ型ＧａＮ系半導体層、発光層を貫通するビア孔を形成し、裏面側に引き出す構成は、この用途に適した特性を与える可能性を有する。

半導体積層に駆動電流を流して発光層から発光を生じさせると、発光はあらゆる方向に進む。ｎ型ＧａＮ系半導体層側から出力光を取り出す場合、発光層からｐ型半導体層側に進行した光を有効に取り出すためにはｐ型ＧａＮ系半導体層の外側表面上に光反射鏡を配置することが望ましい。駆動電流を大きくし、大きな出力光を得るためには、ｐ型半導体層となるべく低抵抗でオーミック接触する高反射率の反射電極をなるべく広い面積で形成することが望ましい。

ｐ型ＧａＮ系半導体層表面に形成する高反射率の金属電極として、Ａｇ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ａｌ、Ｐｄ及びこれらの合金が知られている。Ｎｉ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｐｄ等を添加して、ｐ型ＧａＮ系半導体層に対するオーミック性を促進できることも知られている。また、下地層としてインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）層を形成し、その上にＡｇ又はＡｇ合金の層とを積層したｐ側電極が、高性能のｐ側反射電極を構成できることも知られている。

Ａｇは高い反射率を有するが、拡散（マイグレーション）しやすい性質を有し、拡散したＡｇは、リーク電流を生じさせる等、好ましくない現象を引き起こす。Ａｇ又はＡｇ合金の層の上にＡｇの拡散を防止する拡散防止機構を設けることが望ましい。

ｎ型ＧａＮ系半導体層に対する電極は、発生した光を遮光せず、ｎ型ＧａＮ系半導体層の各点に対してなるべく低抵抗で電子を供給できることが望まれる。ｎ型ＧａＮ系半導体層の上に配線兼電極を形成すると、ストライプ状配線等により出射面積が減少することは避け難い。

ｐ型ＧａＮ半導体層側の外側にｎ側配線を形成し、ｐ型ＧａＮ系半導体層、発光層を貫通し、ｎ型ＧａＮ系半導体層を露出するビア孔を形成し、ｎ型ＧａＮ系半導体層とｎ側配線とを接続する電極をビア孔内に形成することができる。ｎ型ＧａＮ系半導体層表面は、全面を露出できる。ビア孔内に形成したｎ側電極は、半導体層面内に分散した接触領域を形成する。発光領域内でｎ側電極の占有する実効面積を小さくすることができる。

本発明者らは、成長した半導体積層のｐ型半導体層表面から、ｐ型半導体層、発光層を貫通し、ｎ型半導体層を露出するビア孔を形成し、ビア孔周縁を除くｐ型半導体層のほぼ全域にｐ側反射電極を形成し、ビア孔内に露出したｎ型半導体層に接触するｎ側電極を形成し、ｐ型半導体層上方でｎ側電極を配線層に接続する技術を研究、開発している。ｐ側反射電極は、ｎ側電極を形成する領域を除外し、ｐ型半導体層表面に広い面積で接触させ、低抵抗接触と光取り出し効率を向上させる。出力光の出射面となるｎ型半導体層表面には電極を形成しない。ｎ側電極は、ｐ型半導体層側から取り出される。このようなｎ側電極は、ｎ型半導体層上方から観察した時の占有面積も小さくできる。ただし、ｎ側電極からの距離に応じて、半導体層の抵抗成分が増加し、抵抗成分の逆数に応じた輝度分布が生じ得る。

ｐ側電極、ｎ側電極に対する配線層は、ｐ型半導体層上方に配置できる。例えば並列配置したストライプ状電極、相互に絶縁された積層電極の半導体層側電極に孔を形成した全面積層電極等、種々のパターンが可能である。

以下、実施例によるＧａＮ系半導体発光装置について説明する。「ＧａＮ系半導体」の用語は、ＩＩＩ族元素としてＧａを含み、Ｖ族元素がＮであるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を指す。例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１、０≦ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）である。

図１Ａの断面図に示すように、サファイヤ等の成長基板１上に半導体積層をエピタキシャル成長する。例えば、サファイヤ基板１上に、ＧａＮ系半導体バッファ層２ａ、ｎ型ＧａＮ系半導体層２ｂ、多重量子井戸活性層３、ｐ型ＧａＮ系半導体層４を含む半導体積層を成長する。ｎ型ＧａＮ系半導体層はｎ型不純物をドープしなくても作成可能である。ｎ型不純物としてＳｉ等をドープし、膜厚５μｍ程度のｎ型ＧａＮ層２ｂを形成する。バッファ層２ａはｎ型不純物をドープしなくてもよい。バッファ層２ａ、ｎ型ＧａＮ層２ｂを併せて、ｎ型ＧａＮ層２と呼ぶこともある。多重量子井戸活性層３は、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮバリア層の交互積層を含む。ｐ型ＧａＮ系半導体層４は、例えばｐ型不純物としてＭｇ等をドープした、膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成する。
ｐ型ＧａＮ系半導体層４の上にＡｇを主成分として含むｐ側反射電極層５を形成する。Ａｇは、可視光に対して高い反射率を示す。Ａｇ原子がマイグレーション（拡散）すると、リーク等の原因となる。オーミック性を確保し、Ａｇのマイグレーションを抑制するために、ＡｇにＴｉ等を添加する。Ａｇ層とｐ型ＧａＮ系半導体層との間に、薄いＴｉ層、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）層等の透明導電層を形成してもよい。ｐ側反射電極層５の上に、ビア孔エッチングを行なうために、パターン化した酸化シリコン膜等のエッチングマスクＥＭを形成する。

図１Ｂは、ｐ側反射電極層５の平面図である。ｐ側反射電極層５の上に、正方行列状に配列された開口を有するエッチングマスクＥＭが形成される。エッチングマスクの開口を破線で示す。エッチングマスクの開口部において、例えばＣｌ系ガスのドライエッチングを行ない、ｐ側反射電極５、ｐ型ＧａＮ系半導体層４、多重量子井戸活性層３をエッチングし、ｎ型ＧａＮ系半導体層２ｂを露出するビア孔ＶＨを形成する。

図１Ｃに示すように、ビア孔ＶＨの側面、及びｐ側反射電極５の周縁部を覆い、ビア孔ＶＨ底面でｎ型ＧａＮ系半導体層２を露出する開口を有する絶縁層１２を酸化シリコン等で形成する。ビア孔ＶＨの底面に露出したｎ型ＧａＮ系半導体層２にオーミック接触を形成する、ｎ側反射電極１３を形成する。例えばＴｉ／Ａｇ積層を含むｎ側反射電極１３を形成する。成長基板１上方から見た時、ｎ側反射電極１３の縁部は、ｐ側反射電極５の縁部とオーバーラップするようにする。ｎ側反射電極１３は、凹み形状の空洞部ＣＶを画定する。

図１Ｄは、図１Ｃに対応する平面図である。破線で示すｐ側反射電極５の開口（複数のビア孔）が正方行列状に配置され、これらのビア孔を覆って、周囲のｐ側反射電極５に一部オーバーラップするｎ側反射電極１３が配置されている。

図１Ｅに示すように、各ＬＥＤ素子の電極上に、接着導電層１４ｎ、１４ｐを形成する。配線２３ｎ、２３ｐを形成した支持基板２１を接着導電層１４ｎ、１４ｐ上方で位置合わせし、配線２３ｎ、２３ｐを接着導電層１４ｎ、１４ｐに接着して、支持基板を結合する。空洞部ＣＶは半導体基板と支持基板とに包まれる。

便宜上、以下、各ＬＥＤ素子のｐ側電極、ｎ側電極にたいする１つづつの接着層を図示する。成長基板上の半導体積層を各ＬＥＤ素子領域に分離するためのストリートのエッチングを行なう。例えば、４つのＬＥＤ素子が直列接続された４連半導体発光装置を形成する場合、４つのＬＥＤ素子が配列されたパターンを形成する。

図１Ｆに示すように、支持基板２１を接着した後、レーザリフトオフ（ＬＬＯ）等により成長基板１を剥離する。例えば、酸化膜等の絶縁膜を形成したＳｉ基板等の支持基板２１上にＬＥＤ素子の数より１つ多い配線Ｗ（Ｗ１〜Ｗ５）を形成し、接着層を介して、ｐ側反射電極５、ｎ側反射電極１３に配線Ｗを接着し、支持基板２１を結合する。ここで、隣接するＬＥＤ素子間の領域には、最上層に光反射層を有する配線層Ｗが配置されるようにする。その後成長基板１を例えばエキシマレーザを用いたレーザリフトオフ（ＬＬＯ）で除去する。ｎ型ＧａＮ系半導体層２の表面に必要に応じてアルカリ溶液等によるマイクロコーン加工等を施す。

図１Ｇに示すように、ワイヤボンディング等を行う。４つのＬＥＤ素子を覆って、蛍光体粒子を含む樹脂層４５を塗布し、出射面を封止する。例えば、青色発光ＬＥＤ素子の場合、白色光を形成するために、黄色蛍光体粒子を封止樹脂に混合する。

図１Ｈは、図１Ｇの構成の平面図を示す。ＬＥＤ素子間の領域に最上層に光反射層を有する配線Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４が配置されている。積層半導体層には複数のビア孔が形成され、ビア孔を含む領域に反射電極１３が配置される。ＬＥＤ素子間の領域、ＬＥＤ素子内のビア孔の領域には、発光層３がなく、発光機能は有さない。但し、光反射機能を有する配線、電極により光反射機能を有する。半導体構造を覆って、蛍光粒子を含む樹脂層４５が存在する。発光層３全体から発光した青色光が蛍光体粒子に吸収されると蛍光として黄色光が生じる。ＬＥＤ素子間の光反射性配線Ｗ，及びｐ型半導体層のほぼ全領域に延在するｐ側反射電極５及び散在するビア領域を覆うｎ側反射電極１３は、この蛍光を反射する。反射光により、局所的な輝度低下が抑制される。

ｎ側電極の分布密度を上げ、半導体層各点からｎ側電極までの最大距離を短くすることにより、ｎ側電極からの距離（抵抗変化）に依存する輝度分布を抑制することができる。全ｎ側電極の占める総面積の、半導体層面積に対する割合を制限することにより、ｎ側電極形成による発光面積の減少を抑制することができる。単位面積当たりの電流密度を大きくしすぎると電流変換効率が低下する。電流密度を抑制することにより電球変換効率の低下を抑制できる。

図２Ａ−２Ｌは、実施例による半導体発光素子の製造工程を示す概略断面図である。図示の簡略化のため、２つのＬＥＤ素子を例示し、ｎ側電極はＬＥＤ素子当たり１つのみを例示する。

図２Ａに示すように、例えばサファイヤ基板を成長基板１としてＭＯＣＶＤ装置に投入し、サーマルクリーニングを行う。ＧａＮバッファ層及びアンドープのＧａＮ層を成長した後に、Ｓｉ等をドープした膜厚５μｍ程度のｎ型ＧａＮ層を成長する。なお、ＧａＮバッファ層、アンドープのＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層をまとめて、ｎ型ＧａＮ層２と示す。

ＧａＮ層２上に、発光層（活性層）３を成長する。発光層３として、例えば、ＩｎＧａＮ層を井戸層、ＧａＮ層を障壁層とした多重量子井戸構造を形成することができる。発光層３上に、Ｍｇ等をドープした膜厚０．５μｍ程度のｐ型ＧａＮ層４を成長する。

成長基板１は、ＧａＮのエピタキシャル成長が可能な格子定数を有する単結晶基板であり、後工程においてレーザーリフトオフによる基板剥離を可能にするよう、ＧａＮの吸収端波長である３６２ｎｍの光に対して透明なものから選択される。サファイヤ以外に、スピネル、ＳｉＣ、ＺｎＯ等を用いてもよい。

ｐ型ＧａＮ層４上に、光反射性を有するｐ側電極層５を形成する。ｐ側電極層５は、反射電極として機能させるためには、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ及びこれらの合金を用いることが好ましい。発光層３から出射し、上方に向かった光がｐ側電極層５の下面に当たると下方に反射される。例えば、電子ビーム蒸着により膜厚２００ｎｍの、ＡｇにＮｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｄのような添加物が添加された層を堆積し、リフトオフによりパターニングする。ｐ側電極層５には、ｎ側電極が貫通する領域に開口ＨＬが形成される。具体的には、図１Ｄに示されるように、多数の開口が、例えばほぼ正方行列状に配置される。

配線形成等の必要性に応じ、開口の配置の一部、例えば端部の１列、の配置を若干変更することもできる。このような場合、開口の大部分、例えば８０％以上、ないし９０％以上は正方行列を形成する。このような場合、開口の「主要部」は正方行列を形成するということもある。図示の簡略化のため、図２Ａ〜２Ｌにおいては、１つの開口のみを図に示す。

ｐ側電極５は、実際上は１つのＬＥＤ素子のｐ型半導体層のほぼ全面に延在する層であり、その面内に、図１Ｂ，１Ｄで示したように、複数の開口ＨＬが形成され、各開口領域を覆うように、ｎ側電極１３が配置される。

ｐ側電極５の周囲を囲むように、絶縁体のフリンジ層６を形成する。ｐ側電極５の外側のｐ型ＧａＮ層４上に、例えば、スパッタリングによりｐ側電極５と等しい膜厚のＳｉＯ_２層を堆積してパターニングする。

図２Ｂに示すように、ｐ側高反射層７及びｐ側拡散防止層８の積層からなるｐ側高反射キャップ層９を形成する。例えば、ｐ側電極５とフリンジ層６の上面上、及び、ｐ側電極５とフリンジ層６の間のｐ型ＧａＮ層４上に、例えば、スパッタリングにより、高反射層７となる膜厚１００ｎｍのＡｇ層、拡散防止層８となるＴｉＷ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｔｉ層（基板側・下方に形成される層ほど左方に示して積層構造を表記する。以下同様である。）を膜厚２５０ｎｍ／５０ｎｍ／１００ｎｍ／１０００ｎｍ／３０ｎｍ堆積し、リフトオフによりパターニングする。高反射層７の外縁は、ｐ側電極５又はフリンジ層６の上に配置される。

なお、ｐ側電極５には、ｐ型ＧａＮ層４に対するオーミック接触を得るために、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｐｄのような添加物が加えられている。これに対し、ｐ側高反射層７には、添加物は加えない。ｐ側高反射層７は、ｐ側電極５とフリンジ層７に囲まれた領域で、ｐ型半導体層４と接する。従って、ｐ側高反射層７からのＡｇの拡散は抑制される。

ｐ側拡散防止層８は、ｐ側電極５に用いた材料の上方への拡散を防止するためのもので、ｐ側電極５にＡｇを含む場合には、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ及びこれらの合金を用いることができる。

例えば、ｐ側高反射キャップ層９は、開口ＨＬの縁近傍には形成されず、ｐ側高反射キャップ層９の開口ＨＬ側の縁は、開口ＨＬの縁から外側のｐ側電極５上に離して配置される。ｐ側高反射キャップ層９の開口ＨＬ側の縁部で、ｐ側高反射層７の端部を覆うようにｐ側拡散防止層８の端部が形成され、平面視上、ｐ側拡散防止層８の縁が、ｐ側高反射層７の縁よりも内側に配置される。

ｐ側高反射キャップ層９の素子外周側の縁は、ｐ側高反射層７及びｐ側拡散防止層８の縁が一致して、フリンジ層６の上面上に配置される。ｐ側高反射キャップ層９の縁部が、フリンジ層６の上面上に乗り上げて、つまり、半導体層表面から離れるように形成された構造は、ｐ側高反射キャップ層９中のＡｇ漏洩ストッパとして機能する。

ｐ側高反射キャップ層９と、ｐ側電極５及びフリンジ層６を覆って、ｐ側高反射キャップ層９を覆う絶縁キャップ層１０を形成する。例えば、スパッタリングにより膜厚３００ｎｍのＳｉＯ_２を堆積し、リフトオフによりパターニングする。なお、パターニング方法としてはリフトオフの他、ＳｉＯ_２を全面に成膜後、ＣＦ_４系ガスを用いてドライエッチングする方法等を用いてもよい。

絶縁キャップ層１０は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ等の絶縁材料を用いて形成できる。ｐ側電極５及びｐ側高反射キャップ層９のｐ側高反射層７に用いたＡｇ系材料の漏洩を防止する機能を有する。

絶縁キャップ層１０は、開口ＨＬの縁近傍にも形成され、開口ＨＬを画定するｐ側電極５の側面上にも延在するように形成される。絶縁キャップ層１０は開口ＨＬに対応する開口を有し、開口の底にｐ型ＧａＮ層４を露出させる。

図２Ｃに示すように、開口内に露出したｐ型ＧａＮ層４とその下の発光層３を、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により除去して、凹部ないし空洞部ＣＶを形成する。発光層３を含むジャンクション領域を越えて、電気的にｎ型半導体層２が露出する深さまでエッチングを行う。ｎ型半導体層２に対するｎ側電極用のコンタクト領域が確保される。

図２Ｄに示すように、酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料の絶縁フロート層１２をスパッタリングにより形成し、例えばＣＦ_４系ガスを用いたドライエッチングによりパターニングする。絶縁フロート層１２は、凹部ＣＶの側面に露出したｐｎ接合領域を覆い、凹部ＣＶの底で開口してｎ型半導体層２を露出させる。絶縁フロート層１２は、絶縁キャップ層１０も覆う。フリンジ層６の外周面も覆うように図示されているが、必須ではない。絶縁キャップ層１０と絶縁フロート層１２の積層により、電極間絶縁膜ＩＳを形成する。

下方にｐ側高反射キャップ層９が存在する領域に部分的に開口を有するエッチングマスクを形成し、例えばＣＦ_４系ガスを用いたドライエッチングにより、絶縁フロート層１２、絶縁キャップ層１０をエッチングして、ｐ側高反射キャップ層９の一部を露出する。

図２Ｅに示すように、凹部ＣＶ表面を覆い、ｐ側電極５にオーバーラップする、高反射性ｎ側電極１３を形成する。例えば、絶縁フロート層１２上及び凹部ＣＶの底で露出したｎ型半導体２上の領域に、電子ビーム蒸着又はスパッタリングにより、Ｔｉ／Ａｇ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを膜厚１／２００／１００／２００／２００（ｎｍ）で積層し、リフトオフなどでパターニングして高反射ｎ側電極１３を形成する。高反射ｎ側電極１３は、凹部ＣＶの底でｎ型半導体層２と接触する接続電極部になるとともに、図中下方から入射する光に対する高反射ミラーを兼ねる。高反射ｎ側電極１３は、平面視上、その縁部が、開口ＨＬを画定するｐ側電極５の縁部と重なるように形成される。最下層のＴｉ層を厚くすると反射率が減少してしまうため、このＴｉ層の膜厚は５ｎｍ以下、例えば１ｎｍとする。Ａｇ層の高反射率が確保される。

図２Ｆに示すように、接着乃至融着により接続電極となるキャップ層１４ｎ及び１４ｐを形成する。例えば、電子ビーム蒸着又はスパッタリングにより、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを膜厚５０／１００／４００（ｎｍ）で積層し、リフトオフなどでパターニングしてｎ側キャップ電極１４ｎ及びｐ側キャップ電極１４ｐを含むキャップ電極１４を形成する。キャップ電極１４の最下層は、厚さ５０ｎｍのＴｉ層であり、吸光率が高い。高反射電極１３、キャップ層１４をまとめて、ｎ側電極と考えることもできる。この場合、ｎ側電極はビア孔の凹部ＣＶ内に空洞を画定している。

ｎ側キャップ電極１４ｎは、ｎ側電極１３に接続され、素子のｎ側電極Ｅｎを形成する。ｐ側キャップ電極１４ｐは、コンタクトホールＣＨに入り込んでｐ側高反射キャップ層９に接続されると共に、ｎ側キャップ層１４ｎとは間隙を隔てて分離される。ｐ側電極５、ｐ側高反射キャップ層９、及びｐ側接続電極１４ｐが、素子のｐ側電極Ｅｐを形成する。

図２Ｇに示すように、ＬＥＤ素子領域を覆い、外部の領域を露出する開口を有するフォトレジストマスクを用いて、例えば塩素ガスを用いたＲＩＥにより、ｐ型半導体層４、発光層３、及びｎ型半導体層２をエッチングし、成長基板１を露出させる。ＬＥＤ素子がパターニングされ、隣接ＬＥＤ素子間を分離するストリートＳＴが形成される。

図３は、ｎ側電極１３近傍の概略断面図である。

ｐ側電極５に形成された開口内に、凹部ＣＶが形成され、底面にｎ型半導体層２を露出する。ｐ側電極５の開口端Ｅ５は、ｐ型半導体層４の端部ＥＣＶから離隔して、ｐ型半導体層４の上に配置されている。ｐ側高反射キャップ層９は、ｐ側電極５の端部より外側に配置されている。ｐ側高反射キャップ層９の存在しない、ｐ側電極５の領域をＲＧとする。ｎ側電極１３は、凹部ＣＶの底部でｎ型半導体層２に接触し凹部ＣＶの側面に沿って延在し、縁を越えて、ｐ側電極５の端部Ｅ５を越えて領域ＲＧ上方で終端している。

平面視上、ｎ側電極１３は、ｐ側電極５の開口縁部と重なるように形成される。ｎ側電極１３は、ｐ側高反射キャップ層９とは重なっていない。ｎ側キャップ電極１４ｎは、平面視上ｐ側高反射キャップ層９と重なっている。

電極間絶縁層ＩＳ上は、ｐ側高反射キャップ層９の縁Ｅ９より外側の領域で、ｐ側高反射キャップ層９の上面上に乗り上げている。縁Ｅ９の外側領域での電極間絶縁層ＩＳ上面高さに比べて、領域ＲＧ上に乗り上げて形成されたｎ側電極１３の縁部の上面高さは、低くなっている。なお、図は、後の工程により、絶縁層２２、電極２３を形成した支持基板２１を結合した状態を示している。

発光層から入射した光を、開口内ではｎ側電極１３で反射させ、その外側ではｐ側電極Ｅｐで反射させて、光取り出し効率を向上させることができる。また、ｎ側電極１３の端部を領域ＲＧ上で終端させることにより、ｐ側電極Ｅｐとｎ側電極１３の間での多重反射を制限して発光面端部での色ムラ等を抑制することができる。

ｎ型半導体層と導通を取るためのｎ側電極は、素子内に複数配置される。例えば、短辺の長さが０．６ｍｍ〜０．８ｍｍ、長辺の長さが短辺の長さの１．５〜２．５倍程度の発光面内に、６行１２列、８行１６列、等のｎ側電極を配置する。

金属と半導体とは、一般的に熱膨張係数が異なる。半導体層内に多数のビア孔を形成し、各ビア孔内に金属電極を埋め込む場合、素子動作に伴う熱変形に起因して半導体層に加わる応力が大きくなる可能性がある。

ｎ側電極として、図３に示すような、空洞ＣＶを含む構造を用いると、応力を抑制し、発生した応力を解放する効果が期待される。この効果は、ＬＥＤ素子出射面の輝度分布、色分布の改善とは別のメリットとなる。

図２Ｈ〜図２Ｌを参照して、実施例による半導体発光装置の製造工程の続きを説明する。２つの発光素子３１Ａと３１Ｂとが直列接続された構造を有する２連の発光装置を例として説明する。必要に応じてＬＥＤチップの数を増減することができる。例えば４連の半導体発光装置を形成することもできる。

図２Ｈに示すように、例えばシリコン基板を支持基板２１とし、熱酸化処理により表面にＳｉＯ_２による絶縁層２２を形成する。支持基板２１は、熱膨張係数がサファイア（７．５×１０^−６／Ｋ）やＧａＮ（５．６×１０^−６／Ｋ）に近く、熱伝導率が高い材料で形成されていることが好ましい。例えば、Ｓｉ、ＡｌＮ、Ｍｏ、Ｗ、ＣｕＷ等を用いることができる。絶縁層２２の膜厚は、絶縁性を確保する目的を達成できる厚さであればよい。

次に、絶縁層２２上に、支持基板側の配線ないし電極となる融着（ないし接着）層２３を形成する。例えば、抵抗加熱蒸着により、膜厚１μｍのＡｕＳｎ（Ｓｎ：２０ｗｔ％）を堆積し、複数部分（ＬＥＤ素子の数＋１、ここでは３つの部分）にパターニングする。支持基板側の配線ないし電極２３と、素子側のｎ側電極１４ｎ及びｐ側電極１４ｐとが接着される。貼り合せの接着層とする支持基板側電極２３、ｎ側電極１４ｎ及びｐ側電極１４ｐの材料は、融着接合が可能な、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｉｎ、Ｐｄ−Ｉｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｉｎ、Ｎｉ−Ｓｎ等を含む金属や、拡散接合が可能なＡｕを含む金属を用いることができる。

支持基板２１上に、発光素子３１Ａのｐ側電極１４ｐに接続される電極２３ｐ、発光素子３１Ａのｎ側電極１４ｎ及び発光素子３１Ｂのｐ側電極１４ｐに接続される電極２３ｎｐ、及び、発光素子３１Ｂのｎ側電極１４ｎに接続される電極２３ｎが、電気的に分離して形成されている。

図２Ｉに示すように、支持基板側の電極２３ｐ、２３ｎｐ、２３ｎと、各素子のｎ側電極１４ｎ及びｐ側電極１４ｐを位置合わせして接着させ、例えば、圧力３ＭＰで加圧した状態で３００℃に加熱して１０分間保持する。その後、室温まで冷却する。このように、熱圧着により融着接合を行う。

電極２３ｐにより発光素子３１Ａのｐ側電極１４ｐを引き出し、電極２３ｎｐにより発光素子３１Ａのｎ側電極１４ｎと発光素子３１Ｂのｐ側電極１４ｐとを直列接続し、電極２３ｎにより発光素子３１Ｂのｎ側電極１４ｎを引き出す電気的接続構造が形成される。

図２Ｊに示すように、レーザーリフトオフによる成長基板１の剥離を行う。例えばＵＶエキシマレーザ光をサファイア基板１の裏面側から照射し、バッファ層を加熱分解する。なお、成長基板１の剥離あるいは除去は、エッチング等の他の手法を用いてもよい。

次に、レーザーリフトオフにより発生したＧａを熱水などで除去し、その後塩酸で表面を処理する。これにより、ｎ型ＧａＮ層２が露出する。この表面処理は、窒化物半導体をエッチングできるものであればよく、リン酸、硫酸、ＫＯＨ、ＮａＯＨなどの酸やアルカリなどの薬剤も用いることができる。また、表面処理はＡｒプラズマや塩素系プラズマを用いたドライエッチングや、研磨などで行ってもよい。さらに、ｎ型ＧａＮ層２の表面に、ＲＩＥ等のドライエッチング装置を用いたＣｌ、Ａｒ処理またはＣＭＰ研磨装置を用いた平滑化処理を行い、レーザー痕やレーザーダメージ層を除去する。

図２Ｋに示すように、光取り出し構造ないしマイクロコーン構造を形成する。露出したｎ型ＧａＮ層２の表面を、例えばＫＯＨ溶液等のアルカリ溶液に浸してｎ型ＧａＮ層２の表面に結晶構造由来の凹凸加工を施す。光取り出し効率を向上させることが可能である。

支持基板上電極２３ｐ及び２３ｎの外側端部領域において、後に給電用のワイヤーボンディングが施される領域の外側領域に、グレア光吸収層２４を形成する。例えば、電子線蒸着等により厚さ２００ｎｍのＴｉを堆積して、パターニングする。

ワイヤーボンディングされる領域で開口して支持基板電極２３のＡｕＳｎ層を露出させ、開口外側をＴｉ層で覆うグレア光吸収層２４を形成する。Ｔｉ層は、ＡｕＳｎ層に比べて、後に素子を覆って形成される蛍光体層で生じた黄色光を吸収しやすい。このため、ワイヤーボンディング周辺領域でＴｉ層２４により黄色光を吸収して、発光装置端部での色ムラ、または色分離を抑制することができる。

素子の上面全体に、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）等により厚さ３５０ｎｍのＳｉＯ_２を堆積して、全面保護膜２５を形成する。

熱抵抗を下げるため、支持基板２１の裏面側を研削・研磨を用いて例えば厚さ３００μｍまで薄膜化する。また、実装基板と接合材との密着性を確保するため、支持基板２１の研削・研磨面上に、例えば、電子線蒸着によりＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを厚さ５０ｎｍ／１５ｎｍ／２００ｎｍ堆積して、裏面金属層２６を形成する。支持基板２１をレーザースクライブまたはダイシング２７により分割し、半導体発光装置の単位とする。

図２Ｌに示すように、素子３１Ａ、３１Ｂが接合された支持基板２１をダイボンディングする。パッケージ基板４１上に、ＡｇペーストやＡｕＳｎ等の接合材４２を用いて、支持基板２１をダイボンディングする。その後、Ａｕワイヤー４３ｐ、４３ｎを用いたワイヤーボンディングを行い、素子３１Ａのｐ側電極、素子３１Ｂのｎ側電極を、それぞれ、パッケージ基板４１の給電用パッド４４ｐ、４４ｎに接続する。

発光素子３１Ａ及び３１Ｂを樹脂で封止し、硬化させて、封止樹脂層４５を形成する。封止樹脂には、白色化のための蛍光体粉末を混合する。例えば青色発光素子の封止樹脂層に黄色発光の蛍光体を入れる。発光波長と蛍光体の組み合わせは種々可能である。青と黄色の２色、赤、緑、青の３色等の蛍光体を入れることもできる。以上のようにして、半導体発光装置が形成される。

上記構成において、ｎ側電極は、ｐ型半導体層、発光層を貫通して形成された多数のビア孔内でｎ型半導体層に接続され、ｐ側電極上方で接続電極１４に接続される。ｎ型半導体層内では、ｎ側電極からの距離に応じて抵抗成分が大きくなり、電流密度が減少して輝度が低下する可能性がある。輝度分布を抑制するには、ｎ側電極の密度を増加して、半導体層内の各点から最近接のｎ側電極までの距離を短くすることが有効であろう。但し、ｎ側電極の密度を増加した時、半導体層内におけるｎ側電極の占有面積が大きくなり、発光領域が減少するのは好ましくない。半導体発光領域の単位面積当たりの電流密度を大きくしすぎると、電流変換効率は低下する。高い電流変換効率を得るには、半導体の単位面積当たりの電流密度を抑えることが有効である。

図４Ａに示すように、ｎ型半導体層との接触面積が一定であるｎ側電極を正方行列状に配置した構成において、ｎ側電極のピッチを変化させた場合を考察する。ビア（ｎ側電極）ピッチ（中心間距離）を２１５μｍ、１６０μｍ、１３０μｍ、１０７μｍ、９５μｍ、８３μｍと変化させた時の電力変換効率をシミュレーションにより算出した。なお、図には最近接する４つのｎ側電極のみの配置を示す。多数のｎ側電極が、同一ピッチで上下左右に分布配置される。電極ピッチを減少すると、４つの電極から最も遠い中心位置までの距離が減少し、抵抗成分が減少する。

図４Ｂは、ビアピッチに対する電力変換効率の変化を示すグラフである。横軸がビアピッチを単位μｍで示し、縦軸が電力変換効率を任意単位で示す。なお電力変換効率は最大値で規格化した。△のプロットが算出値を示す。ビアピッチが、２１５μｍ、１６０μｍ、１３０μｍ、１０７μｍ、９５μｍと減少すると、電力変換効率はほぼリニアに増大する。ビアピッチの減少により、抵抗成分が低下し、電力変換効率が向上すると考えられる。ビアピッチをさらに８３μｍに減少すると、電力変換効率は僅かに増加するが、ほぼ飽和する特性を示す。ビアピッチの減少により、発光面積が減少し、電流密度を増加させて電力変換効率を低下し、抵抗成分の低下によるメリットをキャンセルすると考えられる。

そこで、実際に上記実施例に沿い、上述のように正方行列配置のｎ側電極のピッチを２１５μｍ、１６０μｍ、１３０μｍ、１０７μｍ、９５μｍ、８３μｍと変化させたサンプルを作成し、電力変換効率を測定した。図４の○のプロットが測定結果を示す。中間領域で、算出値と測定値の間にずれが見られるが、全体としての特性はよく合致すると言える。小さな電極を短いピッチで配置することにより高い電力変換効率が得られることが、実験的に確認された。図４Ｂに示す特性は、ｎ側電極の接触面積を一定としたので、ｎ側電極の接触電圧降下は全て同じとなっている。ｎ側電極の接触面積を増加させると、ｎ側電極の接触電圧降下が減少し、このことは電力変換効率の向上につながる。一方でｎ側電極の接触面積の増加は、発光領域の減少を伴うこととなり、このことは電流密度の増加となって電力変換効率の低下を引き起こしてしまう。このような電力変換効率のｎ側電極の接触面積依存性を計算により見積もった。１個の凹部ＣＶの底に形成される、ｎ側電極とｎ型半導体層との円形接触領域の直径を変化させた場合の電気特性は、図４Ｂの結果及びｎ側電極の接触面積の変化から見積もることができる。また、実験結果の電流対光出力特性から、電流密度対光出力密度を求め、この特性から、ｎ側電極のサイズを変えて発光領域の面積が変化した場合に、電流対光出力特性がどのようになるかを見積もることができる。

図５Ａ，５Ｂがシミュレーションの結果を示す。図５Ａにおいて、横軸がｎ側電極の接触面積サイズ（直径）を単位μｍで示し、縦軸が電力変換効率を規格化任意単位で示す。図５Ｂにおいて、横軸がｎ側電極の接触面積割合を単位％で示し、縦軸が電力変換効率を規格化任意単位で示す。両グラフにおいて、ビアピッチを８３μｍに設定したサンプルＳ１とビアピッチを９５μｍに設定したサンプルＳ２の電力変換効率が優れていることが明らかである。ｎ側電極の接触面積サイズ（直径）は１０μｍ未満（５μｍ以上）が好ましく、さらには６μｍ〜９μｍが好ましい。ｎ側電極の接触面積割合は１％未満（０．３％以上）が好ましく、さらには０．３５％〜０．９％が好ましい。なお、ここで「〜」は以上、以下の範囲を示す。

上述の実施例によるＬＥＤを組み込んだ車両用灯具（ヘッドランプ）について説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、応用例による車両用灯具の概略断面図である。

図６Ａに示す車両用灯具５０は、照射光学系５１として、照射レンズ１０５を使用した例である。照射レンズ１０５は、ＬＥＤアレイ１００の光源像１０６が、車両前端部に正対した仮想鉛直スクリーン（照射面）１０７上に投影されるように設定されている。

図６Ｂは、他の照射光学系５１を有する車両用灯具５０の例である。照射光学系５１は、図６Ｂに示すようにマルチリフレクタ（反射面）１０３と照射レンズ１０５を用いても良い。この例による車両用灯具５０は、ＬＥＤアレイ１００の発光面を覆うように配置された蛍光体層（波長変換層）１０８で形成された光源１０２と、複数の小反射領域に区画されたマルチリフレクタである反射面１０３、シェード１０４及び照射レンズ１０５を含む照射光学系５１とを含んで構成される。

図６Ｂに示すように、光源１０２は、照射方向（発光面）が上向きとなるように配置され、反射面１０３は、第１焦点が光源１０２近傍に設定され、第２焦点がシェード１０４の上端縁近傍に設定された回転楕円形の反射面であり、光源１０２からの光が入射するように、光源１０２の側方から前方にかけての範囲を覆うように配置されている。

反射面１０３は、図６Ｂに示すように、光源１０２のＬＥＤアレイ１００の光源像１０６を所定の配光形状で車両前方に照射し、車両前端部に正対した仮想鉛直スクリーン（照射面）１０７上に、ＬＥＤアレイ１００の光源像１０６が投影されるように構成されている。

シェード１０４は、反射面１０３からの反射光の一部を遮光してヘッドランプに適したカットオフラインを形成するための遮光部材であり、上端縁を照射レンズ１０５の焦点近傍に位置させた状態で照射レンズ１０５と光源１０２の間に配置されている。照射レンズ１０５は、車両前方側に配置され、反射面１０３からの反射光を照射面１０７上に照射する。

なお、ＬＥＤアレイの応用例として車両用灯具を例示したが、その他、一般照明や大型バックライト等の発光装置に応用することもできる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸の代わりに、組成を変えたＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸を用いてもよい。多重量子井戸以外の発光層を用いることもできる。複数のｎ側電極の配置は、正方行列形状に限らない。例えば、他の行列配置も可能である。半導体材料は、ＧａＮないしＡｌＧａＩｎＮに限らない。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１ 成長基板 ２ ｎ型半導体層
３ 発光層 ４ ｐ型半導体層
５ ｐ側電極 ＨＬ 開口
６ フリンジ層 ７ ｐ側高反射層
８ ｐ側拡散防止層 ９ ｐ側高反射キャップ層
１０ 絶縁キャップ層 １２ 絶縁フロート層
１３ ｎ側電極 １４ 導電層
１４ｎ ｎ側キャップ層（ｎ側接続電極） １４ｐ ｐ側キャップ層（ｐ側接続電極）
ＣＶ 凹部（空洞） ＣＨ コンタクトホール
ＩＳ 電極間絶縁層 Ｅｎ ｎ側電極
Ｅｐ ｐ側電極 ２１ 支持基板
２２ 絶縁層
２３ 配線ないし電極（２３ｐ、２３ｎｐ、２３ｎ）
２４ グレア光吸収層 ２５ 保護膜
２６ 裏面金属層 ３１Ａ、３１Ｂ 半導体素子
４１ パッケージ基板 ４２ 接合材
４３ｐ、４３ｎ ボンディングワイヤー ４４ｐ、４４ｎ 給電用パッド
４５ 蛍光体層

Claims (10)

1. 第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に配置された発光層と、前記発光層上に配置され、前記第１導電型と逆の第２導電型を有する第２半導体層とを含む半導体積層と、
   前記半導体積層の前記第２半導体層側から前記発光層を貫通して形成され、前記第１半導体層を露出する、複数のビア孔と、
   前記第２半導体層の周縁および前記複数のビア孔それぞれから離隔されて、前記第２半導体層上に延在し、光反射性を有する第２半導体側電極と、
   前記複数のビア孔それぞれの底面の少なくとも一部を露出し、少なくとも前記発光層、第２半導体層の前記ビア孔内側面を覆い、前記第２半導体側電極の周縁部を覆う絶縁層と、
   前記複数のビア孔それぞれの底部で前記第１半導体層と電気的に接続し、前記絶縁層を介して、前記第２半導体層及び前記第２半導体側電極の上方に引き出され、前記第２半導体側電極に平面視上オーバーラップして配置され、光反射性を有する複数の第１半導体側電極と、
   を有する半導体発光素子。
2. 前記第１半導体側電極は、前記ビア孔内に空洞部を画定する請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記複数の第１半導体側電極の各々は、径１０μｍ未満の接触面積を有する、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記複数の第１半導体側電極の全接触面積は半導体層面積に対して１％未満の接触面積割合を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記複数の第１半導体側電極の各々は、オーミック性促進電極層とＡｇ反射電極層の積層を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記オーミック性促進電極層は、膜厚５ｎｍ以下のＴｉ層である請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記複数の第１半導体側電極は行列形状に配置された主要部を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
8. 支持基板と、
   前記支持基板上に形成され、最上層に反射金属層を有する、複数部分を含む配線層と、
   前記配線層の隣接する部分に跨って配設された複数の半導体発光素子と、
   を有し、
   前記複数の半導体発光素子の各々は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体発光素子である、半導体発光装置。
9. さらに、
   前記複数の半導体発光素子を覆って形成され、蛍光体粉末を含む封止樹脂層と、
   を有する請求項８に記載の半導体発光装置。
10. さらに、
    前記配線層の複数部分の内、最外部に配置された２つの部分の上において、ボンディング領域を囲むように形成された光吸収層と、
    を有する、請求項８又は９に記載の半導体発光装置。

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