JP2015032768A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動電圧の上昇を防止しつつ、全体として貫通転位密度の低いIII 族窒化物半導体発光素子を提供することである。
【解決手段】 発光素子１００に、凹凸形状を形成した基板１１０を用いる。基板１１０の主面に凸部同士のピッチ間隔の狭い第１の領域Ｒ１と、凸部同士のピッチ間隔の広い第２の領域Ｒ２とを、設ける。ｐパッド領域Ｐ１およびｎパッド領域Ｎ１の形成領域を基板１１０の主面に射影した射影領域を第２の領域Ｒ２とする。そして、ｐパッド領域Ｐ１およびｎパッド領域Ｎ１を形成しない領域を基板１１０の主面に射影した射影領域を第１の領域Ｒ１とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、凹凸基板を有するIII 族窒化物半導体発光素子に関する。

一般に、半導体発光素子は、基板の上に、ｎ型半導体層、発光層、ｐ型半導体層をこの順で積層されるとともに、電極を形成されたものである。発光層から発せられる光は、半導体層の上面や側面といった外部露出面、基板の裏面や側面といった露出面、などから素子外部に出射される。

発光層で発生した光が半導体層と電極との界面もしくは半導体層と基板との界面に対して所定の臨界角以上の角度で入射すると、全反射を繰り返しながら半導体層の内部を横方向、すなわち基板の主面に平行な板面方向に伝播することとなる。このような光の一部は、半導体層に吸収される。したがって、半導体発光素子の光取り出し効率は低下する。

そのため、光取り出し効率を向上させるための技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、基板の主面に凹凸を設けた半導体発光素子が開示されている。特許文献１では、基板の凹凸形状部が、基板の主面に平行な向きに進行する光を反射し、その他の方向（例えば、軸上方向）に光が出射されるとしている（特許文献１の段落［００２１］参照）。また、特許文献２にも、同様のことが記載されている（特許文献２の段落［００１１］参照）。

特開２００２−２８０６１１号公報 特開２０１２−１６０５０２号公報

ところで、後述するように、貫通転位の箇所におけるｎ型半導体層とｐ型半導体層との間の間隔は、他の箇所におけるｎ型半導体層とｐ型半導体層との間の間隔に比べて狭い。同じ電圧下では、このｎ型半導体層とｐ型半導体層との間の間隔が狭い箇所ほど、強い電界が局所的に形成される。そのため、貫通転位の箇所では電流が流れやすい。

貫通転位密度を低減させると、半導体結晶の結晶性は向上する（特許文献２の段落［０００５］参照）。そのため、発光効率は向上する。その一方で、貫通転位密度を低減させると、駆動電圧Ｖｆが高くなるおそれがある（特許文献２の段落［０００５］参照）。電流が流れやすい貫通転位の数が減少するからである。このように、貫通転位密度を低減させることと、駆動電圧Ｖｆの上昇を抑制することとは、トレードオフの関係にある。

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、駆動電圧の上昇を防止しつつ、全体として貫通転位密度の低いIII 族窒化物半導体発光素子を提供することである。

第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、主面に凹凸形状を有する基板と、基板の主面に形成されたIII 族窒化物半導体層と、III 族窒化物半導体層と導通する非透光性電極と、を有する。基板は、III 族窒化物半導体層と化学組成が異なる異種基板である。この異種基板は、複数の凸部を有する第１の領域と、第１の領域より凸部同士の間隔の広い複数の凸部を有する第２の領域と、を有する。そして、第２の領域は、非透光性電極の形成領域を異種基板の主面に射影した射影領域と一致する領域と、射影領域の外側であって射影領域の外縁から６μｍ以下の範囲内の領域と、射影領域の内側であって射影領域の外縁から６μｍ以下の範囲内の領域と、を含む領域内に境界線を有する領域に形成されている。

このIII 族窒化物半導体発光素子では、異種基板は、凸部同士のピッチ間隔の比較的狭い第１の領域と、凸部同士のピッチ間隔の比較的広い第２の領域と、を有する。第２の領域は、パッド電極などの非透光性電極の下側の位置に配置されている。基板の第２の領域に照射される光は、比較的大きい角度で反射される。そのため、反射された光のより多くの成分は、非透光性電極に照射されずに、素子の外部に出射される。そのため、この発光素子の光取り出し効率は高い。また、第２の領域では、貫通転位密度が比較的高い。そのため、この発光素子の駆動電圧の上昇は抑制される。

第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子において、第２の領域では、第１の領域と第２の領域との境界から遠いほど凸部同士の間隔が広い。

第３の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子では、第１の領域の凸部のピッチ間隔Ｌ１と、第２の領域の凸部のピッチ間隔Ｌ２とが、次式
Ｌ２ ＝ ａ × Ｌ１
１．１ ≦ ａ ≦ ３
を満たす。

第４の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子では、非透光性電極の少なくとも一部は、外部電極と導通をとるためのパッド電極である。

第５の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子では、非透光性電極は、発光面に対して分散して配置された複数のドット電極と、複数のドット電極をパッド電極と電気的に接続するための配線電極と、を有する。

第６の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、透明電極を有する。III 族窒化物半導体層は、ｐ型コンタクト層を有する。そして、透明電極は、ｐ型コンタクト層の上に形成されている。

本発明では、駆動電圧の上昇を防止しつつ、全体として貫通転位密度の低いIII 族窒化物半導体発光素子が提供されている。

第１の実施形態に係る発光素子の構造を示す概略構成図である。 第１の実施形態に係る発光素子の基板の凹凸形状を示す図（その１）である。 第１の実施形態に係る発光素子のパッド電極と第２の領域との位置関係を示す概念図である。 第１の実施形態に係る発光素子の第１の領域と第２の領域とで基板の主面で反射する反射角の違いを説明するための図である。 従来の発光素子における凹凸基板から延びる転位を示す概念図である。 第１の実施形態に係る発光素子の転位およびピットを示す断面図である。 第１の実施形態の変形例における発光素子の基板の第１の領域および第２の領域を示す図（その１）である。 第１の実施形態の変形例における発光素子の基板の第１の領域および第２の領域を示す図（その２）である。 第２の実施形態に係る発光素子の構造を示す平面図（その１）である。 第２の実施形態に係る発光素子の構造を示す断面図である。 第２の実施形態に係る発光素子のパッド電極および配線電極と第２の領域との位置関係を示す概念図である。 第２の実施形態に係る発光素子の構造を示す平面図（その２）である。 第２の実施形態に係る発光素子の第１の領域と第２の領域とで基板の主面で反射する反射角の違いを説明するための図である。 第１の実施形態に係る発光素子の基板の凹凸形状を示す図（その２）である。 実験における配光を例示するグラフである。 ピッチ間隔と配光との関係を示すグラフである。 ピッチ間隔と駆動電圧との関係を示すグラフである。

以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。また、後述するピットの大きさ等については、実際のものより大きく描いてある。

（第１の実施形態）
１．半導体発光素子
本実施形態に係る発光素子１００の概略構成を図１に示す。発光素子１００は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。また、発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。

図１に示すように、発光素子１００は、基板１１０と、低温バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ型ＥＳＤ層１４０と、ｎ型ＳＬ層１５０と、発光層１６０と、ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０と、透明電極１９０と、ｎパッド電極Ｎ１と、ｐパッド電極Ｐ１と、パッシベーション膜Ｆ１と、を有している。

基板１１０の主面上には、各半導体層が、低温バッファ層１２０、ｎ型コンタクト層１３０、ｎ型ＥＳＤ層１４０、ｎ型ＳＬ層１５０、発光層１６０、ｐ型クラッド層１７０、ｐ型コンタクト層１８０の順に形成されている。ｎパッド電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｐパッド電極Ｐ１は、透明電極１９０の上に形成されている。

基板１１０は、エピタキシーにより、主面上に上記の各半導体層を形成するための成長基板である。そして、その表面には凹凸形状が形成されている。基板１１０の材質は、例えば、サファイアである。また、サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉなどの材質を用いてもよい。このように基板１１０は、成長させるIII 族窒化物半導体とは化学組成の異なる異種基板であればよい。

低温バッファ層１２０は、基板１１０の結晶性を受け継ぎつつ、上層を形成するためのものである。そのため、低温バッファ層１２０は、基板１１０の主面上に形成されている。低温バッファ層１２０の材質は、例えばＡｌＮである。

ｎ型コンタクト層１３０は、ｎパッド電極Ｎ１とオーミック接触をとるためのものである。ｎ型コンタクト層１３０は、低温バッファ層１２０の上に形成されている。また、ｎ型コンタクト層１３０は、ｎパッド電極Ｎ１の下に位置する層である。ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ型ＧａＮである。そのＳｉ濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上である。また、ｎ型コンタクト層１３０を、キャリア濃度の異なる複数の層としてもよい。ｎパッド電極Ｎ１とのオーミック性を向上させるためである。ｎ型コンタクト層１３０の厚みは、例えば、４μｍである。もちろん、これ以外の厚みを用いてもよい。

ｎ型ＥＳＤ層１４０は、各半導体層の静電破壊を防止するための静電破壊電圧改善層である。ｎ型ＥＳＤ層１４０は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ型ＥＳＤ層１４０は、ノンドープのｉ−ＧａＮとｎ型ＧａＮとを積層した半導体層である。ｎ型ＥＳＤ層１４０の膜厚は、例えば、３００ｎｍである。

ｎ型ＳＬ層１５０は、発光層１６０に加わる応力を緩和するための歪緩和層である。具体的には、ｎ型ＳＬ層１５０は、超格子構造を有するｎ型超格子層である。ｎ型ＳＬ層１５０は、ｎ型ＥＳＤ層１４０の上に形成されている。ｎ型ＳＬ層１５０は、ＩｎＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層とを積層した単位積層体を繰り返し積層したものである。その繰り返し回数は、１０回以上２０回以下の範囲内である。ただし、これ以外の回数であってもよい。

発光層１６０は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層１６０は、ｎ型ＳＬ層１５０の上に形成されている。発光層１６０は、障壁層と、井戸層と、を積層した単位積層体を繰り返し積層したものである。つまり、発光層１６０は、この単位積層体を繰り返し積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するものである。この積層の繰り返し回数は、例えば、５回である。もちろん、これ以外の回数であってもよい。障壁層は、例えば、ＧａＮ層やＡｌＧａＮ層が挙げられる。井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮ層である。また、井戸層を熱から保護するキャップ層を有することとしてもよい。

障壁層の厚みは、１０Å以上１００Å以下の範囲内である。井戸層の厚みは、１０Å以上５０Å以下の範囲内である。これらの数値は、あくまで例示である。そのため、ここで挙げた数値範囲を用いてもよい。なお、発光層１６０の全体での厚みは、５００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内である。なお、発光層１６０は、必ずしも多重量子井戸構造でなくともよい。

ｐ型クラッド層１７０は、発光層１６０の上に形成されている。ｐ型クラッド層１７０は、例えば、ｐ型ＩｎＧａＮ層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層と、を繰り返し積層して形成したものである。繰り返し回数は、例えば、１２回である。もちろん、これ以外の繰り返し回数を用いてもよい。

ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ型クラッド層１７０の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１８０は、透明電極１９０とオーミック接触するためのものである。ｐ型コンタクト層１８０の厚みは、例えば、８０ｎｍである。ｐ型コンタクト層１８０では、Ｍｇが１×１０¹⁹／ｃｍ³ 以上１×１０²²／ｃｍ³ 以下の範囲内でドープされている。

透明電極１９０は、ｐ型コンタクト層１８０の上に形成されている。透明電極１９０は、ｐ型コンタクト層１８０とオーミック接触している。透明電極１９０の材質は、例えば、ＩＴＯである。また、ＩＴＯの他に、ＩＣＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂ 、ＮｂＴｉＯ₂ 、ＴａＴｉＯ₂ の透明な導電性酸化物を用いることができる。

ｐパッド電極Ｐ１は、外部電極と導通をとるためのものである。ｐパッド電極Ｐ１は、透明電極１９０の上に形成されている。ｐパッド電極Ｐ１は、透明電極１９０の側から、Ｖ、Ａｌを順に形成したものである。また、Ｔｉ、Ａｌを順に形成してもよい。もちろん、これらに限らない。

ｎパッド電極Ｎ１は、外部電極と導通をとるためのものである。ｎパッド電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎパッド電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０とオーミック接触している。ｎパッド電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の側から、Ｖ、Ａｌを順に形成したものである。また、Ｔｉ、Ａｌを順に形成してもよい。もちろん、これらに限らない。

パッシベーション膜Ｆ１は、ｎ型コンタクト層１３０、ｎ型ＥＳＤ層１４０、ｎ型ＳＬ層１５０、発光層１６０、ｐ型クラッド層１７０、ｐ型コンタクト層１８０、透明電極１９０の側面を覆うとともに、ｐパッド電極Ｐ１の一部およびｎパッド電極Ｎ１の一部を覆っている。つまり、ｐパッド電極Ｐ１の残部およびｎパッド電極Ｎ１の残部は、パッシベーション膜Ｆ１に覆われずに露出している。パッシベーション膜Ｆ１の材質は、例えば、ＳｉＯ₂ である。

２．基板
２−１．第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２
図２に、本実施形態に係る発光素子１００の基板１１０を示す。図２に示すように、基板１１０は、第１の領域Ｒ１と、第２の領域Ｒ２と、を有している。第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２のいずれの領域にも、凸部１１１、１１２が形成されている。凸部１１２の形状は、凸部１１１の形状と同じである。例えば、いずれも、六角錐形状をしている。ただし、凸部１１１と凸部１１２とは、異なる形状であってもよい。第１の領域Ｒ１では、凸部１１１は、比較的高い密度で形成されている。第２の領域Ｒ２では、凸部１１２は、比較的低い密度で形成されている。つまり、第２の領域Ｒ２における凸部１１２の密度は、第１の領域Ｒ１における凸部１１１の密度より低い。

２−２．ピッチ間隔
第１の領域Ｒ１では、隣り合う凸部１１１同士は、ピッチ間隔Ｌ１だけ離間して配置されている。第２の領域Ｒ２では、隣り合う凸部１１２同士は、ピッチ間隔Ｌ２だけ離間して配置されている。ここで、第２の領域Ｒ２のピッチ間隔Ｌ２は、第１の領域Ｒ１のピッチ間隔Ｌ１より長い。

第１の領域Ｒ１における凸部１１１のピッチ間隔Ｌ１と、第２の領域Ｒ２における凸部１１２のピッチ間隔Ｌ２とは、次式を満たす。
Ｌ２ ＝ ａ × Ｌ１ ………（１）
１．１ ≦ ａ ≦ ３
この式（１）を満たす範囲内のときに、発光効率を向上させるとともに、駆動電圧の上昇を抑制することができる。ここで、ピッチ間隔Ｌ１は、３．５μｍ以下の値である。

３．パッド電極と第２の領域Ｒ２との位置関係
ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１は、光を透過しない非透光性電極である。本実施形態では、非透光性電極の形成領域を基板１１０の主面に射影した射影領域において、凸部のピッチ間隔を射影領域外に比べて大きくすることに特徴がある。

図３は、本実施形態のｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１の位置および形状と、基板１１０における第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２と、の位置関係を示す図である。図３に示すように、基板１１０における第２の領域Ｒ２は、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１が形成されている領域に対応する位置および形状で配置されている。つまり、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１が形成されている領域を基板１１０の主面に射影した領域が、第２の領域Ｒ２に相当する。

一方、図３に示すように、基板１１０における第１の領域Ｒ１は、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１が形成されていない領域に対応する位置に配置されている。つまり、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１が形成されていない領域を基板１１０の主面に射影した領域が、第１の領域Ｒ１に相当する。

図４に示すように、第１の領域Ｒ１では、発光層１６０から基板１１０に向かう光は、基板１１０と半導体層との界面で反射されて透明電極１９０の側から外部に出射する。発光層１６０から基板１１０の第２の領域Ｒ２に向かう光は、基板１１０と半導体層との界面で反射されて透明電極１９０の側から外部に出射する。ここで、凸部１１２のピッチ間隔Ｌ２が比較的広い第２の領域Ｒ２では、第２の実施形態の実験のところで後述するように、配光の角度が大きい。そのため、第２の領域Ｒ２で反射された光は、ｐパッド電極Ｐ１やｎパッド電極Ｎ１にほとんど照射されることなく、透明電極１９０の側から外部に出射する。

また、第２の領域Ｒ２より上層の発光層１６０の結晶性は、第１の領域Ｒ１より上層の発光層１６０の結晶性より悪い。したがって、第２の領域Ｒ２より上層の発光層１６０から発せられる光の量は、第１の領域Ｒ１より上層の発光層１６０から発せられる光の量よりも少ない。つまり、非透光性電極で吸収される成分は、従来の発光素子に比べて少ない。

４．ピッチ間隔と貫通転位密度との関係
図５は、基板の凸部と転位の伸長との関係を概念的に示す図である。そのため、図５の発光素子５００は、本実施形態の発光素子１００とは、異なっている。発光素子５００の基板５１０には、多数の凸部５１１がある。そのため、一部の転位ＤＬ１は、基板５１０から上方に成長するが、残部の転位ＤＬ２は、斜め方向に成長して、やがて消滅する。つまり、転位の伸長方向を曲げられた転位ＤＬ２は、それより上層の半導体結晶に引き継がれない。このため、上層の半導体層の転位密度は、基板５１０に近い位置の半導体層の転位密度より低い。つまり、上層の半導体層の結晶性はよい。

本実施形態の基板１１０における第１の領域Ｒ１では、これと同様の効果が期待される。一方、本実施形態の基板１１０における第２の領域Ｒ２では、凸部１１２の数がそれほど多くないため、貫通転位の伸長方向を曲げる効果はそれほどない。つまり、第１の領域Ｒ１より上層の半導体層では、貫通転位密度は低い。第２の領域Ｒ２より上層の半導体層における貫通転位密度は、第１の領域Ｒ１より上層の半導体層における貫通転位密度に比べて高い。

５．貫通転位密度と駆動電圧Ｖｆとの関係
前述のとおり、貫通転位が多いと、半導体層の結晶性は低下する。これは、発光素子の発光効率の低下を招くおそれがある。一方、貫通転位があることにより、駆動電圧Ｖｆの上昇を抑制することができる。貫通転位の箇所では、貫通転位のない箇所に比べて、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間の距離が近い。

図６は、本実施形態の発光素子１００の貫通転位ＤＬ１と半導体層のピットＰＴ１とを示す概念図である。図６に示すように、貫通転位ＤＬ１は、基板１１０から、図６中の上方に向かって伸びている。そして、ｎ型ＥＳＤ層１４０から発光層１６０にかけて、ピットＰＴ１が形成されている。

ピットＰＴ１は、六角錐もしくは円錐の凹面形状をしている。ピットＰＴ１の底部Ｂ１は、ｎ型ＥＳＤ層１４０の膜厚の内部にある。つまり、ｎ型ＥＳＤ層１４０を成長させる際に、底部Ｂ１でピットＰＴ１の発生が始まったことを示している。そして、ｎ型ＥＳＤ層１４０のうちピットＰＴ１が形成されている箇所では、ｎ型ＥＳＤ層１４０がピットＰＴ１に入り込んでいる。また、これに続いて、ｎ型ＳＬ層１５０、発光層１６０が、ピットＰＴ１に入り込んでいる。

そして、ｐ型クラッド層１７０がこのピットＰＴ１を埋めている。ｐ型クラッド層１７０の底部Ｂ２は、ｎ型ＳＬ層１５０に近い。図６に示すように、ピットＰＴ１のない箇所における発光層１６０の厚みは、Ｔ１である。ピットＰＴ１の箇所における発光層１６０の厚みは、Ｔ２である。ここで、ピットＰＴ１の箇所における発光層１６０の厚みＴ２は、厚みＴ１よりも薄い。つまり、ピットＰＴ１の箇所では、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間の距離が、より短い。したがって、ピットＰＴ１の箇所では、他の箇所に比べて電界強度が強い。すなわち、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に電流が流れやすい。

６．第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の効果
第１の領域Ｒ１のように凸部の密度の高い領域では、貫通転位密度が低い。一方、第２の領域Ｒ２のように凸部の密度の低い領域では、貫通転位密度が高い。このように、本実施形態では、パッド電極（Ｐ１、Ｎ１）を基板１１０の主面に射影した領域、すなわち、第２の領域Ｒ２で、貫通転位密度が局所的に高くなるようにした。

そのため、本実施形態の発光素子１００では、発光素子１００における発光面の全体にわたる貫通転位密度を比較的低くしつつ、駆動電圧Ｖｆの上昇を抑制することができる。したがって、高い発光効率を実現するとともに、駆動電圧Ｖｆの高くない発光素子１１０が実現されている。

７．半導体発光素子の製造方法
ここで、本実施形態に係る発光素子１００の製造方法について説明する。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。ここで用いるキャリアガスは、水素（Ｈ₂ ）もしくは窒素（Ｎ₂ ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ₃ ）を用いる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ）を用いる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ）を用いる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）を用いる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）を用いる。ｐ型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ）を用いる。

７−１．凹凸基板準備工程
まず、主面に凹凸形状を形成した基板１１０を準備する。例えば、サファイア基板等の主面にレーザーで加工する。レーザーの走査条件を変えることにより、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２を備える基板１１０を形成すればよい。もちろん、その他の方法により、凹凸形状を形成してもよい。

７−２．ｎ型コンタクト層形成工程
基板１１０の主面上に低温バッファ層１２０を形成する。その後に、バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。このときの基板温度は、１０８０℃以上１１４０℃以下の範囲内である。Ｓｉ濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上である。

７−３．静電耐圧層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層１３０の上にｎ型ＥＳＤ層１４０を形成する。ここで、シラン（ＳｉＨ₄ ）の供給を停止してｉ−ＧａＮを形成した後に、シラン（ＳｉＨ₄ ）の供給を再開してｎ型ＧａＮ層を形成する。このときの基板温度は、７７０℃以上９７０℃以下の範囲内である。そして、この工程では、図６に示すように、ピットＰＴ１を形成する。ピットＰＴ１は、この後の半導体層の成長にともなって成長し、ピットＰＴ１となるものである。このように、ピットＰＴ１を形成しつつ、ｎ型ＥＳＤ層１４０を形成する。

７−４．ｎ型超格子層形成工程
次に、ｎ型ＳＬ層１５０を形成する。まずは、ｎ型ＥＳＤ層１４０の上にＩｎＧａＮ層から形成する。次に、ＩｎＧａＮ層の上にｎ型ＧａＮ層を形成する。そして、このＩｎＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層とを単位積層体として繰り返し形成する。

７−５．発光層形成工程
次に、発光層１６０を形成する。そのために、障壁層と、井戸層とを、この順序で積層した単位積層体を繰り返し積層する。そして、これらの工程を繰り返し行う。なお、井戸層を成長させる際の基板温度を、７５０℃以上８７０℃以下の範囲内とする。また、障壁層を成長させる際の基板温度は、井戸層を成長させる成長温度よりも高い。

ここで、発光層１６０の全体での厚みを、５００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内とする。そして、発光層１６０における最上面でのピット径Ｄを、１２０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲内として、発光層１６０を形成する。このピット径Ｄは、成長温度で制御することができる。

７−６．ｐ型超格子層形成工程
次に、ｐ型クラッド層１７０を形成する。ここでは、ｐ型ＩｎＧａＮ層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層と、を繰り返し積層する。

７−７．ｐ型コンタクト層形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１８０を形成する。基板温度を、９２０℃以上１０８０℃以下の範囲内とする。これにより、図６に示したように、基板１１０に各半導体層が積層されることなる。このとき、ピットＰＴ１は、ｎ型ＥＳＤ層１４０からｐ型クラッド層１７０に達するまでの領域にわたって形成されている。

７−８．電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１８０の上にｐパッド電極Ｐ１を形成する。そして、レーザーもしくはエッチングにより、ｐ型コンタクト層１８０の側から半導体層の一部を抉ってｎ型コンタクト層１３０を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎパッド電極Ｎ１を形成する。ｐパッド電極Ｐ１の形成工程とｎパッド電極Ｎ１の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。

７−９．絶縁膜形成工程
そして、半導体層の側面等およびｐパッド電極Ｐ１の一部とｎパッド電極Ｎ１の一部とを、パッシベーション膜Ｆ１で覆う。このパッシベーション膜Ｆ１として、ＳｉＯ₂ が挙げられる。もちろん、その他の透明性絶縁膜を形成することとしてもよい。もしくは、パッシベーション膜Ｆ１で、発光素子１００の全体を覆った後に、必要な箇所だけ露出させることとしてもよい。

７−１０．その他の工程
また、上記の工程の他、熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１に示した発光素子１００が製造される。

８．変形例
８−１．第２の領域Ｒ２の範囲
本実施形態では、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１が形成されていない領域を基板１１０の主面に射影した領域を、第２の領域Ｒ２と一致させることとした。しかし、これらは、必ずしも完全に一致している必要性はない。例えば、第２の領域Ｒ２が、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１が形成されていない領域を基板１１０の主面に射影した射影領域より、わずかに広くてもよい。逆に、第２の領域Ｒ２が、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１が形成されていない領域を基板１１０の主面に射影した射影領域より、わずかに狭くともよい。

このように、第２の領域Ｒ２と、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１が形成されていない領域を基板１１０の主面に射影した射影領域との間で差異があってもよい。この差異は、−６μｍ以上６μｍ以下の範囲内であるとよい。また、−３μｍ以上３μｍ以下の範囲内であるとより好ましい。ここで、第２の領域Ｒ２が、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１が形成されていない領域を基板１１０の主面に射影した射影領域より広い場合をプラスの値としてとることとした。

図７は、上記の関係を示す概念図である。図７に、ｐパッド電極Ｐ１の領域を基板１１０の主面に射影した射影領域ＰＲ１と、ｎパッド電極Ｎ１の領域を基板１１０の主面に射影した射影領域ＰＲ２と、を示す。射影領域ＰＲ１に比べて広い場合の第２の領域Ｒ１２と、射影領域ＰＲ１に比べて狭い場合の第２の領域Ｒ３２と、を示す。また、射影領域ＰＲ２に比べて広い場合の第２の領域Ｒ２２と、射影領域ＰＲ２に比べて狭い場合の第２の領域Ｒ４２と、を示す。

図８の第２の領域Ｒ５２に示すように、第２の領域Ｒ１２から第２の領域Ｒ３２までの範囲内に境界線が有れば、第２の領域の形状は問わない。同様に、第２の領域Ｒ６２に示すように、第２の領域Ｒ２２から第２の領域Ｒ４２までの範囲内に境界線が有れば、第２の領域の形状は問わない。

つまり、第２の領域は、非透光性電極の形成領域を異種基板の主面に射影した射影領域ＰＲ１、ＰＲ２と一致する領域と、射影領域ＰＲ１、ＰＲ２より外側であって射影領域ＰＲ１、ＰＲ２の外縁から６μｍ以下の範囲内の領域と、射影領域ＰＲ１、ＰＲ２より内側であって射影領域ＰＲ１、ＰＲ２の外縁から６μｍ以下の範囲内の領域と、を含む領域内に境界線を有する領域に形成されている。

８−２．第２の領域Ｒ２におけるピッチ間隔
本実施形態では、第１の領域Ｒ１のピッチ間隔Ｌ１を一定とするとともに、第２の領域Ｒ２のピッチ間隔Ｌ２を一定とした。しかし、第２の領域Ｒ２におけるピッチ間隔Ｌ２を一定としないこととしてもよい。例えば、第２の領域Ｒ２では、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２との境界から遠い箇所ほど、凸部同士の間隔が広くなるようにする。つまり、第２の領域Ｒ２における中心に近いほど、第２の領域Ｒ２における凸部同士の間隔が広い。

８−３．パッド電極
本実施形態では、ｐパッド電極Ｐ１およびｎパッド電極Ｎ１の形成領域を射影した射影領域ＰＲ１、ＰＲ２を第２の領域Ｒ２とすることとした。しかし、図１中において、ｐパッド電極Ｐ１の下側には、発光層１６０があるが、ｎパッド電極Ｎ１の下側には、発光層１６０がない。そのため、発光層１６０から基板１１０に向かう光は、ｎパッド電極Ｎ１よりも、ｐパッド電極Ｐ１に照射されやすい。したがって、ｐパッド電極Ｐ１の形成領域を射影した射影領域ＰＲ１のみを第２の領域Ｒ２としても充分な効果を期待できる。

８−４．組み合わせ
以上の変形例を自由に組み合わせてもよい。

９．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００では、主面に凹凸形状の形成された基板１１０を用いた。基板１１０は、凸部同士の間隔の狭い第１の領域Ｒ１と、凸部同士の間隔の広い第２の領域Ｒ２と、を有している。第２の領域Ｒ２は、パッド電極等の非透光性電極を基板１１０の主面に射影した位置および範囲に、配置されている。そのため、第２の領域Ｒ２では、貫通転位密度がやや高い。そして、結晶性に優れた半導体層を有するとともに、駆動電圧Ｖｆの上昇を抑制することを図った半導体発光素子が実現されている。

なお、以上に説明した実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。積層体の積層構造については、必ずしも図に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。また、液相エピタキシー法、分子線エピタキシー法等、その他のエピタキシャル成長法により半導体層を形成することとしてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態の発光素子２００は、コンタクト電極に接触するドット電極と、それらのドット電極をパッド電極に接続する配線電極と、を有する半導体発光素子である。

１．半導体発光素子
図９は、本実施形態の発光素子２００を示す平面図である。図１０は、図９のＡＡ断面を示す断面図である。発光素子２００は、発光面内にわたって配置されているドット電極と、それらのドット電極とパッド電極とを接続する配線電極と、を有する半導体発光素子である。そして、絶縁層２６０上に沿って配線電極２７０が形成されている。発光素子２００は、基板２１０と、ｎ型層２２０と、発光層２３０と、ｐ型層２４０と、透明電極２５０と、絶縁層２６０と、配線電極２７０と、絶縁膜２８０と、配線電極２９０と、を有している。

図９に示すように、発光素子２００では、ｐ側の配線電極２７０と、ｎ側の配線電極２９０とが、串歯状に噛み合っている。そして、ｐ側の配線電極２７０は、透明電極２５０にコンタクト部２７１で接触している。ここで、コンタクト部２７１は、透明電極２５０と導通するドット電極でもある。コンタクト部２７１は、発光面に対して分散して配置されている。ｎ側の配線電極２９０は、ｎ型層２２０のｎ型コンタクト層にコンタクト部２９１で接触している。配線電極２７０、２９０は、絶縁膜２８０に覆われている。しかし、配線電極２７０、２９０は、それぞれ、露出部の箇所で露出している。

配線電極２７０は、絶縁層２６０の上に形成されている。また、配線電極２７０は、コンタクト部２７１と、配線部２７２と、を有している。コンタクト部２７１は、透明電極２５０にコンタクトする配線電極である。コンタクト部２７１は、絶縁層２６０に離散して複数形成された孔２６１を充填している。そして、その孔２６１の底部で、コンタクト部２７１は、透明電極２５０に接触している。配線部２７２は、コンタクト部２７１同士と、ｐパッド電極Ｐ１とを電気的に接続するためのものである。配線電極２７０として、ｐ型層２４０の側から、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕを順に積層したものが挙げられる。もちろん、電極の構成をこれ以外としてもよい。ただし、最下層の金属はＳｉＯ₂ やＴｉＣと密着性のよい材料が好ましい。配線電極２９０についても同様である。

コンタクト部２７１と配線部２７２とで、異なる材質を用いてもよい。その場合、コンタクト部２７１の最下層の金属は、透明電極２５０とオーミックコンタクトをとれる材料が好ましい。配線部２７２の最下層の金属は、ＳｉＯ₂ と密着性のよい材料が好ましい。また、コンタクト部２９１の最下層の金属は、ｎ型層２２０とオーミックコンタクトをとれる材料が好ましい。配線部２９２の最下層の金属は、ＳｉＯ₂ と密着性のよい材料が好ましい。

２．基板
図１０に示すように、基板２１０の主面には、凹凸形状が形成されている。そして、基板２１０の主面には、凸部同士の間隔が狭い第１の領域Ｒ２０１と、凸部同士の間隔が広い第２の領域Ｒ２０２とが形成されている。

３．パッド電極と第２の領域との位置関係
本実施形態では、発光層２３０から発光された光が軸上方向に出る際に、光の透過の障害となる非透光性電極が存在する。素子外部への光の透過を阻害する非透光性電極として、本実施形態では、ｐパッド電極Ｐ１と、ｐ側のコンタクト部２７１と、ｐ側の配線部２７２とが、挙げられる。

したがって、本実施形態においては、図１１に示すように、発光素子２００におけるｐパッド電極Ｐ１と、コンタクト部２７１と、配線部２７２と、を基板２１０の主面に射影した領域を、第２の領域２０２とする。第２の領域Ｒ２０２における凸部同士のピッチ間隔は、第１の領域Ｒ２０１における凸部同士のピッチ間隔よりも広い。

４．第１の領域および第２の領域の効果
本実施形態においても、第１の領域Ｒ２０１および第２の領域Ｒ２０２がある。第１の領域Ｒ２０１があるため、全体として、発光層２３０の結晶性はよい。また、第２の領域Ｒ２０２があるため、駆動電圧Ｖｆの上昇は、抑制される。

図１２は、発光素子２００を示す別の平面図である。図１３は、図１２のＢＢ断面を示す断面図である。図１３に示すように、第２の領域Ｒ２０２では、光を広い角度に反射している。

５．実験
５−１．サンプル
ここで、凸部同士の間隔、すなわち、ピッチ間隔を変えた場合に、駆動電圧Ｖｆ等の性質がどのように変わるかを調べた実験について説明する。ここで、ピッチ間隔として、３．５μｍ、４．０μｍ、５．０μｍのものを用いた。これらの形状を示すサイズを表１に示す。ここで、図１４に示すように、ピッチ間隔Ｉ１、トップ径Ｗ１、凸部径Ｗ２、ドット高さＨ１、傾斜角θとした。ただし、これらの実験用サンプルは、素子全体のピッチ間隔等を変更したものであり、本実施形態の発光素子２００のように、１つの素子に、第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の双方を設けたものではない。

［表１］
Ｉ１ ピッチ間隔（μｍ） ３．５ ４．０ ５．０
Ｗ１ トップ径 （μｍ） ０．４５９ ０．４１７ ０．３８４
Ｗ２ 凸部径 （μｍ） ３．０２４ ２．９５３ ３．０８８
Ｈ１ ドット高さ（μｍ） １．５４７ １．５ １．５４７
θ 傾斜角 （°） ５０．６ ４９．９ ４９．０

なお、トップ径Ｗ１は、０μｍ以上１μｍ以下の範囲内であるとよい。凸部径Ｗ２は、２μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であるとよい。ドット高さＨ１は、１μｍ以上５μｍ以下の範囲内であるとよい。傾斜角θは、４０°以上６０°以下の範囲内であるとよい。

５−２．配光
図１５は、発光素子の放射強度の角度依存性を例示するグラフである。ここで、図１５中の矢印で示す範囲ＷＡが、発光素子が発する光の最大強度１に対して、４／５の強度以上となる領域である。これを、配光２θ４／５ということとする。図１５では、配光２θ４／５は、１１５°程度である。この配光２θ４／５が広いほど、基板の凹凸により反射する角度が大きいことを示している。

図１６は、配光２θ４／５のピッチ間隔依存性を示すグラフである。図１６の横軸は、ピッチ間隔Ｉ１である。図１６の縦軸は、配光２θ４／５である。図１６に示すように、ピッチ間隔Ｉ１が狭いほど、配光２θ４／５は狭い。逆に、ピッチ間隔Ｉ１が広いほど、配光２θ４／５は広い。ここで、ピッチ間隔Ｉ１が狭い領域は、第１の領域Ｒ１に対応する領域である。ピッチ間隔Ｉ１が広い領域は、第２の領域Ｒ２に対応する領域である。

したがって、本実施形態のように、第１の領域Ｒ１でピッチ間隔Ｉ１を狭くし、第２の領域Ｒ２でピッチ間隔Ｉ１を広くすればよい。これにより、図４に示したように、第２の領域Ｒ２で、光がより広い角度に反射することとなる。そのため、基板１１０の第２の領域Ｒ２で反射された光がｐパッド電極Ｐ１やｎパッド電極Ｎ１等の非透光性電極に照射されることなく、外部に出射しやすい。

もし仮に、ｐパッド電極Ｐ１やｎパッド電極Ｎ１と、基板１１０との間で繰り返し反射したとしても、その繰り返し回数は、従来の発光素子に比べて少ない。これは、反射する光のうち、半導体層に再度吸収される光の割合が減少することを意味している。

なお、図１６では、表１に示したピッチ間隔Ｉ１を用いて実験を行った結果を示している。第１の領域Ｒ１のピッチ間隔と第２の領域Ｒ２のピッチ間隔とで大きな差を設定することで、配光の差は、図１６に示したものより大きい値となりうる。

５−３．駆動電圧
図１７は、駆動電圧Ｖｆのピッチ間隔依存性を示すグラフである。図１７の横軸は、ピッチ間隔Ｉ１である。図１７の縦軸は、駆動電圧Ｖｆである。図１７に示すように、ピッチ間隔Ｉ１が狭いほど、駆動電圧Ｖｆは大きい。逆に、ピッチ間隔Ｉ１が広いほど、駆動電圧Ｖｆは小さい。

このように、ピッチ間隔Ｉ１の狭い第１の領域Ｒ１では、駆動電圧Ｖｆはやや高く、ピッチ間隔Ｉ１の広い第２の領域Ｒ２では、駆動電圧Ｖｆはやや低い。つまり、本実施形態の発光素子２００は、第２の領域Ｒ２を有している。そのため、発光素子２００における駆動電圧Ｖｆは、それほど高くない。

６．変形例
６−１．ｎ側の配線電極
本実施形態では、第２の領域Ｒ２０２をｐパッド電極Ｐ１およびｐ側の配線電極２７０に沿って設けることとした。そのため、ｎパッド電極Ｎ１およびｎ側の配線電極２９０に沿った箇所には、第２の領域Ｒ２０２を設けないこととした。しかし、ｎ側の配線電極２９０に沿う領域にも、第２の領域Ｒ２０２を設けることとしてもよい。ｎ側の配線電極２９０の下側に入り込んだ光は、基板２１０の第２の領域Ｒ２０２で反射される。そのため光は、より広い角度に反射され、反射後にｎ側の配線電極２９０に照射されにくい。

６−２．組み合わせ等
また、第１の実施形態で説明した各変形例を用いることもできる。また、それらを自由に組み合わせてもよい。

７．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子２００は、ドット電極と、それらとパッド電極とを接続するための配線電極と、を有する半導体発光素子である。本実施形態の発光素子２００では、主面に凹凸形状の形成された基板２１０を用いた。基板２１０は、凸部同士の間隔の狭い第１の領域Ｒ２０１と、凸部同士の間隔の広い第２の領域Ｒ２０２と、を有している。第２の領域Ｒ２０２は、ｐパッド電極Ｐ１およびｐ側の配線電極２７０を基板２１０の主面に射影した位置および形状で配置されている。そのため、第２の領域Ｒ２０２では、貫通転位密度がやや高い。そして、結晶性に優れた半導体層を有するとともに、駆動電圧Ｖｆの上昇を抑制することを図った半導体発光素子が実現されている。

１００、２００…発光素子
１１０、２１０…基板
１２０…低温バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０…ｎ型ＥＳＤ層
１５０…ｎ型ＳＬ層
１６０、２３０…発光層
１７０…ｐ型クラッド層
１８０…ｐ型コンタクト層
１９０…透明電極
Ｎ１…ｎパッド電極
Ｐ１…ｐパッド電極
Ｆ１…パッシベーション膜
ＰＴ１…ピット

Claims (6)

1. 主面に凹凸形状を有する基板と、
   前記基板の前記主面に形成されたIII 族窒化物半導体層と、
   前記III 族窒化物半導体層と導通する非透光性電極と、
   を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記基板は、
   前記III 族窒化物半導体層と化学組成が異なる異種基板であり、
   前記異種基板は、
   複数の凸部を有する第１の領域と、
   前記第１の領域より凸部同士の間隔の広い複数の凸部を有する第２の領域と、
   を有し、
   前記第２の領域は、
   前記非透光性電極の形成領域を前記異種基板の前記主面に射影した射影領域と一致する領域と、
   前記射影領域の外側であって前記射影領域の外縁から６μｍ以下の範囲内の領域と、
   前記射影領域の内側であって前記射影領域の外縁から６μｍ以下の範囲内の領域と、
   を含む領域内に境界線を有する領域に形成されていること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
2. 請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記第２の領域では、
   前記第１の領域と前記第２の領域との境界から遠いほど前記凸部同士の間隔が広いこと
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
3. 請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記第１の領域の凸部のピッチ間隔Ｌ１と、前記第２の領域の凸部のピッチ間隔Ｌ２とが、次式
   Ｌ２ ＝ ａ × Ｌ１
   １．１ ≦ ａ ≦ ３
   を満たすこと
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記非透光性電極の少なくとも一部は、
   外部電極と導通をとるためのパッド電極であること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
5. 請求項４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
   前記非透光性電極は、
   発光面に対して分散して配置された複数のドット電極と、
   複数の前記ドット電極を前記パッド電極と電気的に接続するための配線電極と、
   を有すること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
   透明電極を有し、
   前記III 族窒化物半導体層は、
   ｐ型コンタクト層を有し、
   前記透明電極は、
   前記ｐ型コンタクト層の上に形成されていること
   を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

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