JP3821128B2 - 半導体素子 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、正負一対の電極が形成されて発光素子または受光素子となる半導体素子に関し、とくにＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）からなる発光素子に関する。
背景技術
今日我々が生活するなかで信号機、駅や空港の行き先案内板、ビルの外壁に設置される大型ディスプレイさらには、携帯電話のバックライト光源など、発光素子を見かけないことはないと言っても過言ではない。このように半導体が積層されてなる発光素子や発光素子を応用した受光素子は欠かせないものになってきており、これらに求められる特性向上のニーズはとどまるところを知らない。
なかでも青色発光素子は他の３原色となる赤、緑から遅れて開発されたもので、特性の向上やそれぞれの目的に適応した青色発光素子を求める声は最も強い。
この青色発光素子としては、ガリウムを含む窒化物半導体素子（以下、ＧａＮ系半導体素子とする）が最も多く使われている。このＧａＮ系半導体素子の構造としては、基本的に、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層と、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層と、単一量子井戸構造、もしくは多重量子井戸構造のＩｎＧａＮ層を包含する活性層と、ＭｇドープＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層と、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層とが順に積層され、さらにｐ側コンタクト層の一部がエッチングされて露出したｎ側コンタクト層の表面にはチタン／アルミニウムからなるｎ電極が、ｐ側コンタクト層の残りの表面にニッケル／金からなるｐ電極が形成されており、２０ｍＡのにおいて、発光波長４５０ｎｍで５ｍＷ、外部量子効率９．１％と非常に優れた特性を示す。
図１２は従来のＧａＮ系半導体素子の一例を示す斜視図であり、図１３はその上面から見た平面図である。上記構造を有するＧａＮ系半導体素子において、基板３０１の上に、順次、ｎ側コンタクト層やｎ側クラッド層などを含むｎ導電型の半導体層３０２、活性層３０３、ｐ側クラッド層やｐ側コンタクト層などを含むｐ導電型の半導体層３０４が積層され、ｐ電極３０６はｐ側コンタクト層の表面にニッケル／金を積層して構成される。このｐ電極３０６はｐ側コンタクト層の表面のほぼ全面に形成する。ｎ電極３０７は、ｎ導電型の半導体層３０２と電気接続が得られるように設けられる。
ＧａＮ系半導体はｐ型となる不純物をドープしない限り、ｎ型を示す。ｐｎ接合を有するＧａＮ系半導体素子を実現するにはｐ型を示すＧａＮ系半導体が必要である。
例えば、ＭｇをドープしたＧａＮを成膜した後、さらにアニーリングや電子線照射等の手法を用いることで、ｐ型ＧａＮを得ることができる。しかし、特別な手法を適用しなければ容易にｐ型にできないことからも明らかなように、ＧａＮ系半導体はｐ型になりにくく、すなわちｐ型を示すＧａＮ系半導体はｎ型を示すＧａＮ系半導体と比べて抵抗率が高くなる傾向がある。このｐ型を示すＧａＮ系半導体層が高抵抗である場合、発光素子に流れる電流はｐ型半導体層中では広がりにくく、キャリア再結合による発光に偏りが生じ、発光が面内で不均一になってしまう。その対策として、ｐ電極をｐ側コンタクト層の全面に形成し、ｐ型半導体層全面で均一に電流が流れるようにし、発光の不均一をなくしている。
またニッケル／金は２００オングストロームで透光性を有し且つ、ｐ型を示すＧａＮ系半導体素子と良好なオーミック接触を示すので、ｐ電極材料として好ましく用いられている。
しかしながら、金は約５５０ｎｍより短波長の光を吸収する性質があるため、ｐ電極材料として金を用いた場合、ｐ電極下部で発光する光を吸収するようになり、素子内部で発光した光が外部に効率よく放出されなくなる。
発明の開示
本発明の目的は、光利用効率が高く、高い信頼性を有する半導体素子を提供することである。
本発明は、次のような構成を有する。
（１） 基板上に少なくとも第１導電型の半導体層と第１導電型と異なる第２導電型からなる半導体層が順に積層されて、第２導電型の半導体層の表面には電極が形成されてなる半導体素子において、
該第２導電型の半導体層の表面には、少なくとも銀を含有する第１の電極と、銀を含有しない第２の電極がそれぞれ形成されてなる半導体素子。
（２） 第１の電極は、銀、銀−ニッケル合金、銀−パラジウム合金、銀−ロジウム合金または銀−白金合金からなる層を有する（１）に記載の半導体素子。
（３） 第２の電極は、第２導電型の半導体層の表面において、第１の電極の周囲を囲むように形成されている（１）または（２）に記載の半導体素子。
（４） 第１の電極と第２導電型の半導体層との接触部における電位障壁は、第２の電極と第２導電型の半導体層との接触部における電位障壁より小さい（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体素子。
（５） 第１の電極と第２導電型の半導体層との接触部におけるオーミック性は、第２の電極と第２導電型の半導体層との接触部におけるオーミック性より良好である（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体素子。
（６） 第１の電極は、ロジウム、パラジウム、ニッケルおよび白金のうち少なくとも１つを含有する（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体素子。
（７） 第２の電極は、第１の電極と同電位、または第１の電極より高い電位に設定される（１）〜（６）のいずれかに記載の半導体素子。
（８） 第２の電極は、第２導電型の半導体層の表面において、第１の電極と部分的に接触している（７）に記載の半導体素子。
（９） 外部取り出し用のパッド電極が、第１の電極および第２の電極の両方に接触するように形成されている（８）に記載の半導体素子。
（１０） 第２導電型の半導体層表面は、第１の電極を形成する領域と第２の電極を形成する領域との間に、電極を形成しない電極非形成領域を有する（１）〜（９）のいずれかに記載の半導体素子。
（１１） 電極非形成領域は、第１の電極と第２の電極との最短距離が０．５μｍ以上となるように設けられる（１０）に記載の半導体素子。
（１２） 第１の電極は、第１の電極の外郭より内側において、第２導電型の半導体層が露出した開口部を有する（１）〜（１１）のいずれかに記載の半導体素子。
（１３） 半導体素子は発光素子であり、第２導電型の半導体層の表面における発光領域において、第１の電極の周縁部での発光強度が周縁部以外の発光領域よりも高い（１）〜（１２）のいずれかに記載の半導体素子。
（１４） 第１の電極において、第２導電型の半導体層が露出した複数の開口部の総面積Ｓａと、第２導電型の半導体層が露出していない非開口部の面積Ｓｂとを合計した値をＳとし、各開口部の内周長の総和をＬとして、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ^２が成立する（１２）または（１３）に記載の半導体素子。
（１５） 各開口部は、略同一形状または略同一面積を有する（１４）に記載の半導体素子。
（１６） 半導体層は、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成されている（１）〜（１５）のいずれかに記載の半導体素子。
（１７） 第２導電型の半導体層の部分エッチングによって第１導電型の半導体層が露出しており、第１導電型の半導体層の露出した表面に第３の電極が形成されている（１）〜（１６）のいずれかに記載の半導体素子。
（１８） 第１導電型の半導体層はｎ型の半導体層であり、第２導電型の半導体層はｐ型の半導体層である（１）〜（１７）のいずれかに記載の半導体素子。
本発明に従えば、電極材料として銀を用いることによって、従来のように金を用いた場合と比べて、約５５０ｎｍより短波長の光が吸収されなくなり、光利用効率を向上させることができる。
また、銀は抵抗率が低く、良好な導電性を示すため、電極の膜厚を薄くしても電極抵抗の増加を防止できる。そのため、電極膜厚の設計自由度が増加し、例えば電極を厚く形成することによって電極の光反射性を高めたり、あるいは電極を薄く形成することによって電極の光透過率を高めることができる。
また、銀はエレクトロマイグレーションを特に起こしやすい材料として知られており、ｐ電極材料およびｎ電極材料のいずれかに銀を用いた半導体素子を通電すると、一方の電極中に存在していた銀が素子側面を通って他方の電極に向かって移動するようになり、銀の析出によって短絡の原因となってしまう。
そこで、一方の電極形成面に銀を含有する第１の電極を形成すると共に、銀を含有しない第２の電極を設けることによって、銀のエレクトロマイグレーションが発生しても、第２の電極の存在によって短絡を防止できるようになり、信頼性の高い半導体素子を得ることができる。
また、第１の電極は、第１の電極の外郭より内側において、第２導電型の半導体層が露出された開口部を有することによって、Ｖ_ｆ（順方向駆動電圧）が低下した素子を得ることができる。
発明を実施するための最良の形態
次に、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明において、第２導電型の半導体層に形成する第１の電極は、少なくとも銀を含んでいればよく、銀の単層、または銀と他の金属とが順に積層された層、または銀と他の金属とが積層されアニーリング処理されて合金化された層を用いる。合金化された層としては、例えば銀（Ａｇ）にニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）または白金（Ｐｔ）が１〜３０％添加された合金などを用いることができる。Ｎｉ、Ｐｄは、ｐ型ＧａＮ等のＧａＮ系半導体とのオーミック接触が容易に得られる点で好ましく、より好ましくはＮｉを用いる。
また、第１の電極に用いる金属としては、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ以外に、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ等があるが、光の吸収が多い材料を含まないことが好ましい。
電極膜厚に関して、第１の電極を厚く形成すると、素子内部で発生した光は第１の電極で反射して、半導体層積層側に効率よく光を戻すことができ、素子側面からの光放出効率が向上する。逆に、第１の電極を薄く形成すると、第１の電極は透光性を有するようになり、発光素子の場合、素子内部で発生した光が効率よく外部に放出され、受光素子の場合、外部から到来する光が効率よく素子内部に入射する。
銀は抵抗率が１．５９×１０^−６（Ωｃｍ）と他の金属材料と比べても低いので、第１の電極の膜厚を薄く形成しても、第１の電極の抵抗が急激に高くなることはなく、薄く形成する場合でも扱いやすい。
下記の（表１）は、第１の電極の材料を変更した場合、半導体発光素子のＶ_ｆ（順方向駆動電圧）と、光出力およびその相対値を示す。なお、各測定値は、１０個の素子について測定した平均値である。

この結果から、第１の電極を銀で形成した場合、ＣｕやＰｄよりもＶ_ｆを下げることができ、Ｎｉ／Ａｕよりも光出力が格段に増加することが判る。
第２導電型の半導体層には、銀を有しない第２の電極が形成されている。第２の電極の材料としては、エレクトロマイグレーションが発生しにくい金属を用い、単層、または複数の金属が積層された層、または複数の金属が積層されてアニーリングにより合金化された層を用いることができる。第２の電極は、金などの光の吸収の多い材料を含んでもよいが、こうした材料を含まないことで、第２導電型の半導体層の表面全面で光吸収の少ない半導体素子を実現できる。
電極膜厚に関して、第１の電極と同様に、第２の電極を厚く形成すると、半導体層積層側にさらに効率よく光を戻すことができ、素子側面からの光放出効率が向上する。逆に、第２の電極を薄く形成すると、、第１の電極は透光性を有するようになり、発光素子の場合、素子内部で発生した光が効率よく外部に放出され、受光素子の場合、外部から到来する光が効率よく素子内部に入射する。
また本発明において、第２の電極は、第２導電型の半導体層の表面において第１の電極の周囲を囲むように形成されていることが好ましい。こうした第２の電極を形成することによって、素子を通電した場合、エレクトロマイグレーション等による銀原子の移動を阻止できる。即ち、第１の電極に含まれる銀原子が、第１の電極から素子の側面を通って、第１導電型の半導体層もしくは基板に形成された他方の電極（例えば後述する第３の電極）に向かって移動しようとする場合、第２の電極の存在によって銀原子の移動が止まって、銀の再析出などに起因した素子の短絡や絶縁抵抗の低下を防ぐことができる。
また本発明において、第１の電極と第２導電型の半導体層との接触部における電位障壁は、第２の電極と第２導電型の半導体層との接触部における電位障壁より小さいことが好ましい。これにより半導体素子を通電した場合、第２の電極からよりも第１の電極から第２導電型の半導体層へ電流が流れやすくなり、例えば発光素子の場合、第１の電極からの注入キャリアによる発光が強くなり、光利用効率が向上する。逆に、第２の電極と第２導電型の半導体層との接触部における電位障壁が小さいと、エレクトロマイグレーション防止用の第２の電極の方に電流が流れやすくなり、光利用効率が低下してしまう。
また本発明において、第１の電極と第２導電型の半導体層との接触部におけるオーミック性は、第２の電極と第２導電型の半導体層との接触部におけるオーミック性より良好であることが好ましい。これにより半導体素子を通電した場合、第２の電極からよりも第１の電極から第２導電型の半導体層へ電流が流れやすくなり、例えば発光素子の場合、第１の電極からの注入キャリアによる発光が強くなり、光利用効率が向上する。逆に、第２の電極と第２導電型の半導体層との接触部における電位障壁が小さいと、エレクトロマイグレーション防止用の第２の電極の方に電流が流れやすくなり、光利用効率が低下してしまう。
また本発明において、第１の電極は、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）および白金（Ｐｔ）のうち少なくとも１つを含有することが好ましい。これにより第１の電極は、熱的に安定し、光吸収が少なくなり、ＧａＮ系半導体とのオーミック接触が容易に得られる。
また本発明において、第２の電極は、第１の電極と同電位、または第１の電極より高い電位に設定されることが好ましい。これにより第１の電極と第２の電極との間で電位差がなくなり、あるいは第２の電極から第１の電極へ下る電位勾配が形成される。その結果、第１の電極に含まれる銀原子の移動が抑制され、エレクトロマイグレーションの発生を防止できる。
また本発明において、第２の電極は、第２導電型の半導体層の表面において、第１の電極と部分的に接触していることが好ましい。第２の電極の一部が第１の電極に接するように形成されることで、第１の電極と第２の電極を容易に同電位とすることができ、エレクトロマイグレーションの発生を抑制できる。第２の電極の一部が第１の電極と接する態様として、第２の電極と第１の電極とが導通していればよく、例えば数ｎｍ程度の幅の第２の電極が第１の電極に棒状に伸びて第１の電極に接して形成されていてもよく、あるいは第１の電極が第２の電極に棒状に伸びて第２の電極に接して形成されていてもよく、さらには第１の電極および第２の電極とは別個の導電性材料が第１の電極および第２の電極の両方に接して形成されていてもよい。こうした導通部は小さい面積であるほど光の取り出し面を大きくすることができる。このように第２の電極と第１の電極とが導通している部分を導通部とすると、この導通部はできるだけ面積が小さいことが好ましい。より好ましくは、第１の電極と第２の電極との間の非電極形成領域における最短距離よりも短い幅を有する導通部を形成する。
また、第２の電極と第１の電極との導通部は、第１の電極の上に第２の電極が覆いかぶさって形成されていてもよく、第２の電極が第１の電極に覆いかぶさって形成されていてもよい。
また、第２の電極の一部が第１の電極と接する別の態様として、上述のような導通部を意図的に形成しなくてもよく、銀を有する第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加して、銀のエレクトロマイグレーションを発生させることによって、第１の電極と第２の電極との間が短絡して導通するようになり、その結果、両方の電極は同電位となる。仮にエレクトロマイグレーションによる導通部分がいずれ断線したとしても、続いて別の場所でエレクトロマイグレーションが起こるので、継続的な導通を維持でき、実質上、第１の電極が第２の電極と同電位となる。
また本発明において、外部取り出し用のパッド電極が、第１の電極および第２の電極の両方に接触するように形成されていることが好ましい。第２導電型の半導体層の表面に、ボンディングパッド等のパッド電極を形成する場合、ボンディングパッドは第１の電極または第２の電極のいずれか一部に接して形成されていればよく、第１の電極上のみに形成してもよく、第２の電極上のみに形成してもよく、また第１または第２の電極から延伸して形成し、第１および第２の電極から離れた位置でワイヤ等とボンディングしてもよい。好ましくは第１の電極および第２の電極それぞれの一部に渡って、第１および第２の電極上に設けてもよく、それぞれの一部に渡って形成することで、容易に第１の電極と第２の電極とを同電位にすることができる。
なお、ボンディングパッドは、ワイヤ等と実装するための電極であるので、実装時に半導体素子を傷めないように形成するためにはある程度の膜厚が必要であり、第１の電極および第２の電極と比較して膜厚は厚く形成される。ここで、発光素子の場合、第２導電型の半導体層側から光を取り出す場合には、ボンディングパッド部からは光は外部に放出されないので、ボンディングパッドを第１の電極と第２の電極とに渡って形成する場合は、ボンディングパッドはできるだけ小さく形成することが必要である。
本発明の半導体素子は、第２導電型の半導体層および第１導電型の半導体層の露出部、および半導体層が積層された素子の側面に連続してＳｉＯ_２，ＳｉＮ等の電気絶縁性を有する膜を形成してもよい。この絶縁性を有する膜を形成することで、素子が保護され信頼性の高い半導体素子が得られる。特に、この絶縁性を有する膜は第２導電型の半導体層の表面の電極非形成部に設けることが好ましく、これにより第１の電極の銀のエレクトロマイグレーションの発生を抑えることができる。
また、素子の保護を目的として、銀を含有する第１の電極および第２の電極の上にもＳｉＯ_２，ＳｉＮ等の電気絶縁性膜を形成することが好ましい。この場合、素子の温度上昇によって、銀の酸化物が生ずると、第１の電極の光反射特性が低下する傾向があることから、酸素を含まない材料、例えばＳｉＮで電気絶縁性膜を形成することが好ましい。
また、ボンディングパッド等のパッド電極を形成する場合、ボンディングパッドと第２導電型の半導体層との間に絶縁性を有する膜を設けることで、第１の電極および第２の電極と電極非形成部との段差を小さくすることができ、その上に形成するボンディングパッドが平坦な面となり実装しやすくなるので好ましい。
また本発明において、第２導電型の半導体層表面は、第１の電極を形成する領域と第２の電極を形成する領域との間に、電極を形成しない電極非形成領域を有することが好ましい。この電極非形成領域は、第１の電極と第２の電極との最短距離が０．５μｍ以上となるように設けられることが好ましい。
第１の電極は少なくとも銀を有する材料からなるが、銀は３４０ｎｍ程度から長波長の光を反射しやすい性質がある。例えば３４０ｎｍ以上に発光のピークを有する発光素子の場合、第１の電極の下部で発光する光を反射してしまい、第２導電型の半導体層側からの光は外部に効率よく放出されない。そこで、第１の電極と第２の電極との間に非電極形成領域を設けることで、光は外部に効率よく放出されるようになる。このように非電極形成領域を設けると、発光した光は第１の電極と発光素子の電極を形成していないもう一方の表面（ステムなどにマウントされており、そのマウントされた面）との間で反射を繰り返し、その光の多くは最終的には電極非形成領域から外部に出ていくことになる。また、電極非形成領域を設けることで、第２の電極に用いる金属材料の選択に制限はなくなり、発光した光に対して吸収しやすい材料を用いても光の取り出し効率のよい発光素子を得ることができる。
また本発明において、第１の電極は、第１の電極の外郭より内側において、第２導電型の半導体層が露出した開口部を有することが好ましい。こうした開口部を設けることで、例えば３４０ｎｍ以上に発光のピークを有する発光素子の場合、第１の電極の下部で発光する光は、第１の電極形成部で反射するが、開口部においては光を外部に放出する。また、発光した光は第１の電極と発光素子の電極を形成していないもう一方の表面（ステムなどにマウントされており、そのマウントされた面）との間で反射を繰り返した光も、その多くは最終的には開口部から外部に出ていくことになり、光の取り出し効率が向上する。
また本発明において、半導体素子は発光素子であり、第２導電型の半導体層の表面における発光領域において、第１の電極の周縁部での発光強度が周縁部以外の発光領域よりも高いことが好ましい。ここで、第１の電極の周縁部とは、第１の電極を形取る輪郭に相当し、開口部を形成する場合はその開口部の輪郭もすべて周縁部に含まれる。こうした開口部輪郭を含む第１の電極の周縁部では、強い発光を示す。これは、第１の電極の周縁部で局所的に高い電界が生じて、電極周縁部で最も電流が強く流れるからと考えられる。よって、この開口部は第１の電極に対する開口率を一定とした場合、第１の電極の周縁部の距離を長く形成する方が強い発光を示す部分が多くなり、またＶ_ｆが下がる傾向にあり好ましく、具体的には第１の電極を形成後、円形の開口部を複数設ける場合、円の直径を小さくし、開口部となる円の個数を多数形成する程、Ｖ_ｆが下がる。
また本発明において、第１の電極において、第２導電型の半導体層が露出した複数の開口部の総面積Ｓａと、第２導電型の半導体層が露出していない非開口部の面積Ｓｂとを合計した値をＳとし、各開口部の内周長の総和をＬとして、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ^２が成立することが好ましい。これにより、第２導電型の半導体層の表面における発光領域において、光の取り出し効率が向上し、低いＶ_ｆを示す半導体素子が得られる。
また本発明において、各開口部は、略同一形状または略同一面積を有することが好ましい。これにより、開口部の形成が容易になり、面内発光分布が均一になり、光の取り出し効率が向上する。
図１５は、開口率が同じ、すなわち、開口部５の総面積は同じで、開口部５の内周長を変化させたときの電力変換効率を示すグラフである。開口部５の総面積が同じであることで、第１の電極１とｐ型導電性を有する半導体層１０４との接触面積も同じであるので、Ｖ_ｆおよび量子効率は同じと考えられる。しかし、内周長を変化させることで、電力変換効率は図１５のグラフのように変化するのである。
このグラフより開口率は同じでも、開口部の内周長を変化させることで、さらに高出力とすることができることがわかる。そして、本発明では、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ^２を満たすような範囲とすることで、高出力の発光素子が得られる。Ｌ／Ｓが０．０２４μｍ／μｍ^２より小さくなると、開口部５を設けた効果が少なくなるので好ましくない。また、上限は特に定めていないが、実質的には１μｍ／μｍ^２より大きくなると、開口部５の１つの大きさが小さくなり過ぎて実用的でなくなる。
上述のように、ｐ型導電性を有する半導体層１０４側からの出力効率が、開口部５の総面積よりも開口部５の内周長によって大きく左右されるのは、電極と半導体層１０４との境界において特に強い発光が観測されるためであり、その境界を多くして、即ち内周長を長くすることで効率よく光を放出させることができる。境界をさらに多くするためには、開口部だけでなく、さらに、第１の電極１の最外周部を直線ではなく、屈折させた連続線によって半導体層１０４の端部に沿うように設けることで、第１の電極１と半導体層１０４との境界を多くすることができ、さらに出力を向上させることができる。
上記のような複数の開口部は、ほぼ同じ形状とするように形成することで、複数の開口部を効率よく形成しやすくなる。さらに、面内分布も均一になりやすく、ムラのない発光を得ることができる。形状としては、方形、円形、三角形など、種々の形状を用いることができる。開口部は、好ましくは方形であり、隣接する開口部と一定の距離間隔をあけて均一に分散させるように複数形成することで、均一な発光が得られ易くなる。また、各開口部の面積をほぼ同じになるように形成することで、開口部の形成位置によって好ましい形状を選択することができる。
開口部輪郭を含む第１の電極の周縁部の断面形状は、電極端面が垂直な矩形断面形状によりも電極端面が上向きに傾斜したメサ形状が好ましく、これにより電極周縁部での発光強度が高くなり、全体として光の取り出し効率が向上する。
図１１Ａは電極端面角度θが９０°である場合を示す部分断面図であり、図１１Ｂは電極端面角度θが９０°未満である場合を示す部分断面図である。電極端面が半導体層表面に対して垂直であると、電極周縁部から放射される光は、素子上方よりも側方へ偏向するようになる。一方、電極端面が半導体層表面に対して傾斜していると、電極周縁部から放射される光は素子上方に多く分布するようになる。その結果、電極周縁部での発光強度が高くなり、全体として光の取り出し効率が向上する。
半導体層表面に対する電極端面角度θは、３０°≦θ＜９０°の範囲が好ましい。角度θが３０°未満になると、電極スロープ部分での電気抵抗が高くなり、エッジ部分での発光強度が低下するようになることから、角度θは３０°以上が好ましい。
本発明の半導体素子は特にガリウムを含む窒化物半導体において顕著な効果を示す。ガリウムを含む窒化物半導体（ＧａＮ系半導体）とは、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）からなる半導体を意味し、ガリウムを含む窒化物半導体が半導体素子の一部を構成していればこれに含まれる。すなわちＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）の他の窒化物半導体層が、ホウ素を含んでいても、リンを含んでいてもこれに含まれる。特にＧａＮ系半導体は不純物をドープしない（アンドープの）場合、導電型はｎ型を示し、Ｍｇなどのｐ型となる不純物をドープすることでｐ型を示す。しかしながらｐ型のＧａＮ系半導体は低抵抗化しにくく、ｎ型のＧａＮ系半導体と比べて抵抗率が高い。そのためＧａＮ系半導体に流れる電流はｐ型半導体層中では広がりにくいので、ｐ電極をｐ側コンタクト層の全面に形成し、ｐ型半導体層全面で均一に電流が流れるようにしている。したがって、銀を有する第１の電極と銀を有しない第２の電極を半導体層の表面に設け、それぞれの電極に種々の特徴を有する本発明はの構成は、とくにＧａＮ系半導体で顕著な効果を示す。
ここで、第１の電極および第２の電極を形成する第２導電型の半導体層はｐ型導電性を有するガリウムを含む窒化物半導体（ＧａＮ系半導体）であることが好ましく、さらに好ましくはＭｇをドープしたＡｌ_ｍＧａ_１−ｍＮ（０≦ｍ＜１）とし、最も好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとする。ＭｇをドープしたＡｌ_ｍＧａ_１−ｍＮ（０≦ｍ＜１）はＧａＮ系半導体のなかでも比較的結晶性よく形成でき、ＭｇをドープしたＡｌ_ｍＧａ_１−ｍＮ（０≦ｍ＜１）の表面は平滑な面となり、第１の電極および第２の電極、さらにはパッド電極といった、本発明のような複雑な電極構造でも信頼性よく形成でき、とくにｍ＝０のときの、ＭｇをドープしたＧａＮはｐ型導電性を有するＧａＮ系半導体のなかでも容易に低抵抗に形成できるため、電極とのオーミック接触が得られやすい。
また本発明において、第２導電型の半導体層の部分エッチングによって第１導電型の半導体層が露出しており、第１導電型の半導体層の露出した表面に第３の電極が形成されていることが好ましい。
本発明の半導体素子は２つの主面を有し、第２導電型の半導体層の表面を第１の主面とし、基板側を第２の主面とする場合、第１の主面上に第１の電極および第２の電極を形成し、第２の主面上に第３の電極を形成してもよい。ＳｉＣ基板などの導電性を有する基板を用いた場合、基板に第１導電型の電極を形成することができる。しかしながら、本発明の半導体素子の第１導電型の半導体層の表面に形成する電極（以下、第３の電極と称することがある）は、第２導電型の半導体層の一部がエッチングされて露出する第１導電型の半導体層の表面に形成されていてもよい。たとえばガリウムを含む窒化物半導体（ＧａＮ系半導体）は好ましくはサファイア基板などの絶縁性の基板上にＧａＮ系半導体を成長させる。このような絶縁性の基板上に第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層を順に積層した半導体素子は、サファイア基板側から電極を取ることが困難であり、第１導電型の半導体層に形成する第３の電極は、第２導電型の半導体層の表面の一部をエッチングして第１導電型の半導体層の表面を露出して形成しなければならず、裏面から他方の電極を取ることができない。このような裏面から他方の電極を取ることができないように形成された半導体素子はとくに、銀を含む第１の電極を用いた場合、銀が第１の電極から第３の電極に向かって、エレクトロマイグレーションを起こしやすく、その場合本発明の構成とすることで、顕著に本発明の効果が発揮される。ここで第３の電極は第１導電型の半導体層と良好なオーミック接触が得られる材料であればよい。
本発明の半導体素子は、第１導電型の半導体層をｎ型の半導体層とし、第２導電型の半導体層をｐ型の半導体層とすることが好ましい。前述のように、ＧａＮ系半導体は不純物をドープしない（アンドープの）場合、導電型はｎ型を示し、Ｍｇなどのｐ型となる不純物をドープすることでｐ型を示すが、ＭｇをドープしてＧａＮ系半導体を成長させるだけでは良好なｐ型を示すＧａＮ系半導体は得られず、基板上にｎ型の半導体層とＭｇをドープした半導体層を積層後、例えば６００℃でアニーリングすることで、Ｍｇが電気的に活性化し、低抵抗のｐ型のＧａＮ系半導体を得ることができる。これは１つの考えとして、ｐ型のＧａＮ系半導体層に含まれる水素がアニーリングにより除去されることで、低抵抗化が起こるとも考えられている。このようにアニーリングにより低抵抗化する場合、低抵抗化する層は基板から最も離れた側に設けることで、水素が効率よく除去されるので、第１導電型の半導体層をｎ型、第２導電型の半導体層をｐ型とすることが最も好ましい形態といえる。
本発明は、ＧａＮ系半導体が積層された半導体発光素子について説明してきたが、上記条件を満たす半導体素子であれば、発光素子に限られるものではなく、またＧａＮ系半導体に限られるものではない。
また本発明において、第１導電型の半導体層とは、１層以上の第１導電型の半導体を有するものであり、第２導電型の半導体層とは、１層以上の第２導電型の半導体層を有するものである。
以下、本発明の具体的な構成例について説明する。
［実施例１］
本実施例は、サファイア等の基板１０１上にｎ型導電性の窒化物半導体層１０２（ｎ型導電型の半導体層）、活性層１０３、ｐ型導電性の窒化物半導体層１０４（ｐ型導電型の半導体層）が積層された構造を有する。図１（斜視図）および図２（上面から見た平面図）に示すように、この半導体素子は所定の領域でｐ型導電性の窒化物半導体層１０４、活性層１０３およびｎ型導電性の窒化物半導体層１０２の一部を除去して、ｎ型導電性の窒化物半導体層１０２に電極を形成するための表面が露出している。
この半導体素子のｐ型導電性の窒化物半導体層１０４の表面の外形を形取るように、さらに露出されたｎ型導電性の窒化物半導体層１０２の表面の全面にレジストを塗布し、スパッタリングにより銀を含有する第１の電極１を全面に形成し、さらにレジストを除去することで第１の電極１を形成する。次に形成した第１の電極１の外形に沿って、第１の電極１より外側で、ｐ型導電性の窒化物半導体層１０４の表面の外形に沿って、ｐ型導電性の窒化物半導体層１０４の外形の内側に第２の電極が形成されるように、レジストを塗布し、銀を含まない第２の電極２を全面に形成し、さらにレジストを除去することで第２の電極２を形成する。
次にレジスト塗布およびスパッタリングにより、ｎ型導電性の窒化物半導体層１０２の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕよりなるｎ側電極３（ｎ導電型側の電極）を形成する。
この発光素子を第１の電極１と第２の電極２に正極、ｎ側電極３に負極を接続し、電圧をかけ、発光させたところ、後述の比較例１に示す発光素子に対して、光取り出し効率に１５０％の向上が観測された。
［比較例１］
本比較例は、サファイア基板３０１上にｎ型導電性の窒化物半導体層３０２（ｎ型導電型の半導体層）、活性層３０３、ｐ型導電性の窒化物半導体層３０４（ｐ型導電型の半導体層）が積層された構造を有する。図１２に示すように、この半導体素子は所定の領域でｐ型導電性の窒化物半導体層３０４、活性層３０３およびｎ型導電性の窒化物半導体層３０２の一部を除去して、ｎ型導電性の窒化物半導体層３０２に電極を形成するための表面が露出している。
次にレジスト塗布およびスパッタリングにより、この窒化物半導体素子のｐ型導電性の窒化物半導体層３０４の表面のほぼ全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ側電極３０６（第２導電型側電極）を形成し、ｎ型導電性の窒化物半導体層３０２の露出面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ側電極３０７（ｎ導電型側の電極）を形成する。
この発光素子をｐ側電極３０６に正極、ｎ側電極３０７に負極を接続し、電圧をかけ、発光させた。このときの光取り出し効率を基準値１００％とする。
［実施例２］
本実施例は、サファイア等の基板上１０１にｎ型導電性の窒化物半導体層１０２（ｎ型導電型の半導体層）、活性層１０３、ｐ型導電性の窒化物半導体層１０４（ｐ型導電型の半導体層）が積層された構造を有する。図３に示すように、この半導体素子は所定の領域でｐ型導電性の窒化物半導体層１０４、活性層１０３およびｎ型導電性の窒化物半導体層１０４の一部を除去して、ｎ型導電性の窒化物半導体層１０４に電極を形成するための表面が露出している。
次に第２の電極形成部以外のｐ型導電性の窒化物半導体層１０４の表面およびｎ型導電性の窒化物半導体層１０２の表面の全面にレジストを塗布し、スパッタリングにより第２の電極２を形成し、さらにレジストを除去することで第２の電極２を形成する。このとき第２の電極２はｐ型導電性の窒化物半導体層１０４の表面の外形を形取るような形状で、さらに一部で幅０．３μｍ、長さ０．８μｍがｐ型導電性の窒化物半導体層の表面の内部に向かって伸びた状態で、後で形成する第１の電極との導通部２ａを設ける。
次に第２の電極２より内部のｐ型導電性の窒化物半導体層１０４の表面に第１の電極１を設ける。これはまず第１の電極形成部以外のｐ型導電性の窒化物半導体層１０４の表面およびｎ型導電性の窒化物半導体層１０２の表面の全面にレジストを塗布し、スパッタリングにより銀よりなる第１の電極１を形成し、さらにレジストを除去することで第１の電極１を形成する。このとき第１の電極１は第２の電極２の導通部２ａ（幅０．３μｍ、長さ０．８μｍ）の先端に一部（例えば幅０．３μｍ、長さ０．３μｍ）が覆いかぶさるように形成する。
次にレジスト塗布およびスパッタリングにより、ｎ型導電性の窒化物半導体層１０２の露出面にＷ／Ａｌ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕよりなるｎ側電極３（ｎ導電型側の電極）を形成する。
この発光素子を第１の電極１と第２の電極２に正極、ｎ側電極３に負極を接続し、電圧をかけ、発光させたところ、光取り出し効率は実施例１とほぼ同等であり、さらに発光ムラはほとんど観測されなかった。
［実施例３］
実施例１の発光素子において、図４に示すように、第１の電極１と第２の電極２との間に、第１の電極が一部で幅０．３μｍ、長さ０．８μｍがｐ型導電性の窒化物半導体層の表面の外部に向かって伸びた状態で、第２の電極との導通部１ａを設ける。このとき第１の電極１の導通部１ａは先端の一部（例えば幅０．３μｍ、長さ０．３μｍ）が第２の電極２の上部に覆いかぶさるように形成する。この発光素子を第１の電極１と第２の電極２に正極、ｎ側電極３に負極を接続し、電圧をかけ、発光させたところ、光取り出し効率は実施例１とほぼ同等であり、さらに発光ムラはほとんど観測されなかった。
［実施例４］
実施例１の発光素子において、図５に示すように、発光素子の積層方向からみて、ｎ側電極３と同じ対角線上で反対の隅部に、金からなるｐ側パッド電極４を形成する。このｐ側パッド電極４は第１の電極１と第２の電極２との一部に渡って形成される。すなわちｐ側パッド電極４はｐ型導電性を有する窒化物半導体層と、第１の電極１と第２の電極とにそれぞれ部分的に接触している。この発光素子を第１の電極１と第２の電極２に正極、ｎ側電極３に負極を接続し、電圧をかけ、発光させたところ、光取り出し効率は実施例１より低いが比較例１よりも光取り出し効率の高い発光素子が得られた。
［実施例５］
実施例１の発光素子において、図６に示すように、銀を含有する第１の電極１の内部にｐ型導電性を有する半導体層が露出するようにエッチングして直径２０μｍの円形の開口部５を、開口部の面積が第１の電極１に対し開口率が５０％となるように、複数設ける。電圧をかけ、発光させたところ、実施例１とほぼ同等の光取り出し効率を有し、かつ実施例１と比較してＶ_ｆの小さい発光素子が得られた。
［実施例６］
実施例１の発光素子において、図７に示すように、銀を含有する第１の電極１の内部にｐ型導電性を有する半導体層が露出するようにエッチングして直径１０μｍの円形の開口部５を、開口部の面積が第１の電極に１対し開口率が５０％となるように、複数設ける。電圧をかけ、発光させたところ、実施例１とほぼ同等の光取り出し効率を有し、かつ実施例５よりもさらにＶ_ｆの小さい発光素子が得られた。このように、開口部５を設ける場合、開口部の面積を小さくし、その開口部５を複数設けることで、Ｖ_ｆが下げるという効果が観測された。
［実施例７］
実施例１の発光素子において、図８Ａ〜図８Ｂに示すように、ｐ型導電性を有する半導体層１０４の上に、銀を含有する第１の電極１と、第１の電極１の外側を取り囲むように銀を含有しない第２の電極２とが形成される。第１の電極１は、ＳｉＯ_２やＳｉＮ等の絶縁保護膜で覆われている。
金からなるｐ側パッド電極４は、発光素子の積層方向からみて、ｎ側電極３と同じ対角線上で反対の隅部に形成される。第１の電極１には、一辺５μｍ角の略四角形の開口部５がほぼ全面に渡って１５０個形成される。
こうして得られた発光素子は、露出する開口部５の内周長の総和Ｌは３０００μｍとなり、第１の電極１の最外周部で囲まれた露出面積Ｓは４６０００μｍ^２であり、これらの比Ｌ／Ｓは０．０６５である。また、露出する開口部５の総面積と露出面積Ｓとの比である開口率は６．２５％であり、Ｖ_ｆが３．４Ｖ、発光出力が１１．５ｍＷ、電流値２０ｍＡで電力変換効率が約１６．９％となった。このように第１の電極１に複数の開口部５を形成することによって、発光出力が増加するようになる。
［実施例８］
実施例７の発光素子において、第１の電極１に一辺２．５μｍ角の略四角形の開口部５がほぼ全面に渡って６００個形成される。
こうして得られた発光素子は、露出する開口部５の内周長の総和Ｌは６０００μｍとなり、第１の電極１の最外周部で囲まれた露出面積Ｓは４６０００μｍ^２であり、これらの比Ｌ／Ｓは０．１３である。また、露出する開口部５の総面積と露出面積Ｓとの比である開口率は６．２５％であり、Ｖ_ｆが３．４Ｖ、発光出力が１２ｍＷ、電流値２０ｍＡで電力変換効率が約１７．４％となった。このように第１の電極１に複数の開口部５を形成することによって、発光出力が増加するようになる。
［実施例９］
実施例１の発光素子において、図９Ａ〜図９Ｂに示すように、ｐ型導電性を有する半導体層１０４の上に、銀を含有する第１の電極１と、第１の電極１の外側を取り囲むように銀を含有しない第２の電極２とが形成される。
金からなるｐ側パッド電極４は、発光素子の積層方向からみて、ｎ側電極３と同じ対角線上で反対の隅部に形成される。第１の電極１は、図９Ａまたは図９Ｂに示すように、ストライプ状に形成される。こうしたストライプ電極構造を採用することによって、ｐ側パッド電極４から半導体層１０４に供給される電流が面内に均一化され、発光効率が向上する。
第１の電極１のストライプ隙間は、半導体層１０４が露出する開口部５として形成されるため、電極エッジ長を格段に増加させることができ、その結果、光取り出し効率が向上する。このとき、半導体層１０４が露出した複数のストライプ隙間に対応する開口部５の総面積Ｓａと、導体層１０４が露出していない電極部分の面積Ｓｂとを合計した値をＳとし、開口部５内周長の総和をＬとして、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ^２が成立することが好ましい。
こうして得られた発光素子は、Ｖ_ｆが３．５Ｖ、発光出力が１０ｍＷ、電流値２０ｍＡで電力変換効率が約１４．３％となった。
産業上の利用の可能性
以上説明したように、本発明では基板上に少なくとも第１導電型の半導体層と第１導電型と異なる第２導電型からなる半導体層が順に積層されて、第１導電型の半導体層表面および第２導電型の半導体層の表面には電極が形成されてなる半導体素子において、第２導電型の半導体層の表面に、少なくとも銀を有する第１の電極と第１の電極の周囲をすべて囲むように銀を有しない第２の電極を形成する。このような構成によって、光取り出し効率がよく、短絡の起こらない信頼性の高い素子を得ることができる。
また、さらに第１の電極は、第１の電極の外郭より内側において、第２導電型の半導体層が露出された開口部を有することでＶ_ｆが低下した素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施例に係る半導体素子の斜視図である。
図２は、本発明の一実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。
図３は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。
図４は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。
図５は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。
図６は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。
図７は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。
図８Ａは本発明の他の実施例を示す平面図で、図８Ｂはその断面図である。
図９Ａ、図９Ｂは本発明の他の実施例をそれぞれ示す平面図である。
図１０は、開口率が同じで、開口部５の内周長を変化させたときの電力変換効率を示すグラフである。
図１１Ａは電極端面角度θが９０°である場合を示す部分断面図であり、図１１Ｂは電極端面角度θが９０°未満である場合を示す部分断面図である。
図１２は、従来の半導体素子の斜視図である（比較例）。
図１３は、従来の半導体素子を上面から見た平面図である（比較例）。

Claims (18)

1. 基板上に少なくとも第１導電型の半導体層と第１導電型と異なる第２導電型からなる半導体層が順に積層されて、第２導電型の半導体層の表面には電極が形成されてなる半導体素子において、
   該第２導電型の半導体層の表面には、少なくとも銀を含有する第１の電極と、銀を含有しない第２の電極がそれぞれ形成されてなる半導体素子。
2. 第１の電極は、銀、銀−ニッケル合金、銀−パラジウム合金、銀−ロジウム合金または銀−白金合金からなる層を有する請求項１に記載の半導体素子。
3. 第２の電極は、第２導電型の半導体層の表面において、第１の電極の周囲を囲むように形成されている請求項１または２に記載の半導体素子。
4. 第１の電極と第２導電型の半導体層との接触部における電位障壁は、第２の電極と第２導電型の半導体層との接触部における電位障壁より小さい請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子。
5. 第１の電極と第２導電型の半導体層との接触部におけるオーミック性は、第２の電極と第２導電型の半導体層との接触部におけるオーミック性より良好である請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子。
6. 第１の電極は、ロジウム、パラジウム、ニッケルおよび白金のうち少なくとも１つを含有する請求項１〜５のいずれかに記載の半導体素子。
7. 第２の電極は、第１の電極と同電位、または第１の電極より高い電位に設定される請求項１〜６のいずれかに記載の半導体素子。
8. 第２の電極は、第２導電型の半導体層の表面において、第１の電極と部分的に接触している請求項７に記載の半導体素子。
9. 外部取り出し用のパッド電極が、第１の電極および第２の電極の両方に接触するように形成されている請求項８に記載の半導体素子。
10. 第２導電型の半導体層表面は、第１の電極を形成する領域と第２の電極を形成する領域との間に、電極を形成しない電極非形成領域を有する請求項１〜９のいずれかに記載の半導体素子。
11. 電極非形成領域は、第１の電極と第２の電極との最短距離が０．５μｍ以上となるように設けられる請求項１０に記載の半導体素子。
12. 第１の電極は、第１の電極の外郭より内側において、第２導電型の半導体層が露出した開口部を有する請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体素子。
13. 半導体素子は発光素子であり、第２導電型の半導体層の表面における発光領域において、第１の電極の周縁部での発光強度が周縁部以外の発光領域よりも高い請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体素子。
14. 第１の電極において、第２導電型の半導体層が露出した複数の開口部の総面積Ｓａと、第２導電型の半導体層が露出していない非開口部の面積Ｓｂとを合計した値をＳとし、各開口部の内周長の総和をＬとして、Ｌ／Ｓ≧０．０２４μｍ／μｍ^２が成立する請求項１２または１３に記載の半導体素子。
15. 各開口部は、略同一形状または略同一面積を有する請求項１４に記載の半導体素子。
16. 半導体層は、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成されている請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体素子。
17. 第２導電型の半導体層の部分エッチングによって第１導電型の半導体層が露出しており、第１導電型の半導体層の露出した表面に第３の電極が形成されている請求項１〜１６のいずれかに記載の半導体素子。
18. 第１導電型の半導体層はｎ型の半導体層であり、第２導電型の半導体層はｐ型の半導体層である請求項１〜１７のいずれかに記載の半導体素子。

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