JP3979378B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系半導体を用いた半導体発光素子に関するものである。

近年、青色ＬＥＤや紫外ＬＥＤといった短波長のＬＥＤが盛んに開発され、実用化されている。これらのＬＥＤに使用する半導体としては、バンドギャップが比較的大きいＧａＮ系の化合物半導体が用いられている。例えば、特許文献１に開示された半導体発光素子では、サファイア基板上にＧａＮバッファ層をエピタキシャル成長させ、その上にｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、及びｐ型ＧａＮ層を順次積層している。そして、この半導体発光素子を、サファイア基板を上にして配線基板上にフェースダウン実装し、ＩｎＧａＮ活性層において発生した光をサファイア基板を透過させて出射している。

また、特許文献１の半導体発光素子では、光の取り出し効率を上げるため、ｐ側電極として、オーミック接触を目的としたオーミック層と、光の反射を目的とした反射層との積層構造を設けている。そして、ＩｎＧａＮ活性層からサファイア基板とは反対側へ向かう光を反射層によって反射している。
特開平１１−１９１６４１号公報

上記した半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ活性層と反射層との間にオーミック層が介在している。オーミック層は、一般的にＧａＮとのオーミック接触性のよいＮｉ、Ｃｏ、Ｓｂなどの金属が用いられる。しかしながら、特許文献１にも記載されているとおり、これらの金属は反射率が良好ではない上に光の透過率も低い。従って、反射層における反射光がオーミック層によって減衰され、光の取り出し効率が低下することとなる。特許文献１の半導体発光素子では、オーミック層を薄く形成することでこの問題を解決しようとしているが、根本的に解決されるわけではない。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、活性層において発生した光の取り出し効率を向上できる半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による半導体発光素子は、窒化物半導体からなり、ＧａＮ系化合物からなる基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、基板の裏面上に設けられ、第１導電型半導体層と電気的に接続された第１の電極と、第２導電型半導体層上に所定のパターンで設けられた第２の電極と、第２導電型半導体層上及び第２の電極上に設けられた金属反射膜と、を備え、所定のパターンが、第２導電型半導体層の表面における第１の領域上の第１のパターンと、第１の領域を囲む第２の領域上の第２のパターンとで構成されており、第１及び第２のパターンそれぞれが複数の単位格子からなる格子状であり、第１のパターンの面積が第１の領域の面積に占める割合が、第２のパターンの面積が第２の領域の面積に占める割合よりも大きく、単位格子の一辺の長さが６０μｍ以下であることを特徴とする。または、本発明による半導体発光素子は、窒化物半導体からなり、ＧａＮ系化合物からなる基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、基板の裏面上に設けられ、第１導電型半導体層と電気的に接続された第１の電極と、第２導電型半導体層上に所定のパターンで設けられた第２の電極と、第２導電型半導体層上及び第２の電極上に設けられた金属反射膜と、を備え、所定のパターンが、第２導電型半導体層の表面における第１の領域上の第１のパターンと、第１の領域を囲む第２の領域上の第２のパターンとで構成されており、第１及び第２のパターンそれぞれが、互いに離れた複数の単位部分からなり、第１のパターンの面積が第１の領域の面積に占める割合が、第２のパターンの面積が第２の領域の面積に占める割合よりも大きく、所定のパターンにおいて、互いに隣り合う単位部分同士の間隔が６０μｍ以下であることを特徴とする。

上記した半導体発光素子では、第２の電極が所定パターンで設けられ、金属反射膜が第２の電極上及び第２導電型半導体層上に設けられている。これにより、活性層から基板とは反対側へ向かう光は、第２導電型半導体層上に設けられた金属反射膜において好適に反射し、基板を透過して半導体発光素子の外部へ出射される。従って、上記した半導体発光素子によれば、金属反射膜において反射する光がオーミック層などによって減衰されないので、活性層において発生した光の取り出し効率を向上することができる。

また、半導体発光素子は、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層の各々がＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）を含み、活性層が、Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（０≦Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１、０≦Ｘ２＋Ｙ２＜１）を含むことを特徴としてもよい。これによって、青色光や紫外光など比較的短波長の光を効率よく発生することができる。

また、半導体発光素子は、ＧａＮ系化合物からなる基板をさらに備え、第１導電型半導体層が基板の主面上に設けられており、第１の電極が基板の裏面上に設けられていることを特徴としてもよい。これにより、第１の電極及び第２の電極をそれぞれ基板の両側に配置できるので、半導体層の面積が制限されず、活性層における発光効率を高めることができる。

また、半導体発光素子は、基板の比抵抗率が０．５Ωｃｍ以下であることを特徴としてもよい。これによって、基板の導電性が良好となり、基板内において電流が拡がり易くなる。従って、活性層における電流密度がほぼ均一となるので、活性層における発光効率をさらに高めることができる。

また、半導体発光素子は、波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光に対する金属反射膜の反射率が８０％以上であることを特徴としてもよい。これによって、活性層において発生した光が可視光である場合の取り出し効率をさらに向上することができる。

また、半導体発光素子は、金属反射膜が、Ａｇ及びＡｌの少なくとも一方を含む金属からなることを特徴としてもよい。金属反射膜が、光を反射し易いこれらの金属からなることによって、活性層において発生した光の取り出し効率をさらに向上することができる。

また、半導体発光素子は、厚さ方向と交差する第２の電極の面積が、第２導電型半導体層の面積の６０％以下であることを特徴としてもよい。これによって、第２導電型半導体層上において第２の電極が存在しない部分に設けられる金属反射膜の面積が広くなり、活性層において発生した光の取り出し効率をさらに向上することができる。

また、半導体発光素子は、第２の電極の所定のパターンが、第２導電型半導体層上において一様なパターンであることを特徴としてもよい。これによって、活性層を流れる電流量を充分確保することができるので、第２の電極をパターン化したことによる発光効率の低下を抑えることができる。

また、半導体発光素子は、第２導電型半導体層の表面が、第１の領域と第１の領域を囲む第２の領域とを有し、第２の電極が第１の領域上に設けられていることを特徴としてもよい。或いは、半導体発光素子は、第２導電型半導体層の表面が、第１の領域と第１の領域を囲む第２の領域とを有し、所定のパターンが、第１の領域上の第１のパターンと第２の領域上の第２のパターンとで構成されており、第１のパターンの面積が第１の領域の面積に占める割合が、第２のパターンの面積が第２の領域の面積に占める割合よりも大きいことを特徴としてもよい。

一般的に、活性層において発生する光は、半導体発光素子の周辺部分に集まりやすい。上記したいずれかの半導体発光素子によれば、半導体発光素子の周辺部分（すなわち、第２の領域）における金属反射膜の面積が広くなるので、活性層において発生した光の取り出し効率をさらに向上することができる。

また、半導体発光素子は、所定のパターンが格子状であることが好ましい。この場合、所定のパターンの単位格子の一辺の長さが６０μｍ以下であることがより好ましい。これによって、活性層に駆動電流を充分に流すことができるので、第２の電極をパターン化したことによる発光効率の低下を抑えることができる。

また、半導体発光素子は、所定のパターンが、互いに離れた複数の単位部分からなることが好ましい。この場合、半導体発光素子は、所定のパターンにおいて、１個の単位部分に対して４個または６個の単位部分が隣り合うように複数の単位部分が規則的に配置されていることがより好ましい。また、所定のパターンが複数の単位部分からなる場合、半導体発光素子は、互いに隣り合う単位部分同士の間隔が６０μｍ以下であることがより好ましい。これらのうちいずれかの半導体発光素子によれば、活性層に駆動電流を充分に均一に流すことができるので、第２の電極をパターン化したことによる発光効率の低下を抑えることができる。

また、半導体発光素子は、第２導電型半導体層上において第２の電極が存在しない部分の何処においても第２の電極までの距離が３０μｍ以下であることを特徴としてもよい。これによって、活性層に駆動電流を充分に均一に流すことができるので、第２の電極をパターン化したことによる発光効率の低下を抑えることができる。

また、半導体発光素子は、第２の電極と第２導電型半導体層との間の接触抵抗率が１×１０^−３Ωｃｍ^２以下であることを特徴としてもよい。これにより、第２の電極と第２導電型半導体層との接触部分における発熱量を低く抑えることができるので、熱による発光効率の低下や消費電力の増大を防ぐことができる。

また、半導体発光素子は、第２の電極が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄのうち少なくとも一種類の金属からなることを特徴としてもよい。これによって、第２の電極と第２導電型半導体層との間のオーミック接触を好適に実現することができる。

また、半導体発光素子は、第２導電型半導体層が、第２の電極と接するコンタクト層を含むことを特徴としてもよい。これによって、第２の電極と第２導電型半導体層との間のオーミック接触をより好適に実現することができる。

また、半導体発光素子は、厚さ方向と交差する第２の電極の面積が、第２導電型半導体層の面積の１０％以上であることを特徴としてもよい。第２の電極の面積が第２導電型半導体層の面積の１０％よりも小さい場合、第２の電極と第２導電型半導体層との間の接触抵抗が増大し、消費電力が増大するとともに、発熱によって活性層における発光効率が低下する可能性がある。これに対し、上記した半導体発光素子によれば、第２の電極と第２導電型半導体層との接触部分における接触抵抗を低く抑えることができるので、熱による発光効率の低下や消費電力の増大を防ぐことができる。

また、半導体発光素子は、第２導電型半導体層及び第２の電極と金属反射膜との間にＴｉを含む接着膜を備えることを特徴としてもよい。これによって、第２の電極と金属反射膜との電気的な接続状態を損ねることなく、金属反射膜が第２導電型半導体層及び第２の電極から剥がれることを防止できる。

本発明による半導体発光素子によれば、活性層において発生した光の取り出し効率を向上することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体発光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明による半導体発光素子の第１実施形態として、発光ダイオード１の構成を示す断面図である。なお、本実施形態の発光ダイオード１の形状寸法は、平面形状が例えば一辺４００μｍ程度の矩形であり、その厚さが例えば２００μｍ程度である。また、本実施形態の発光ダイオード１は、例えば波長４５０ｎｍの青色光を発光する。

図１を参照すると、発光ダイオード１は、基板３を備えている。また、発光ダイオード１は、ｎ型（第１導電型）半導体層６と、ｐ型（第２導電型）半導体層１２と、活性層９とを備えている。ｎ型半導体層６は、ｎ型バッファ層５及びｎ型クラッド層７を含んでいる。ｐ型半導体層１２は、ｐ型クラッド層１１及びｐ型コンタクト層１３を含んでいる。ｎ型バッファ層５、ｎ型クラッド層７、活性層９、ｐ型クラッド層１１、及びｐ型コンタクト層１３は、基板３の主面３ａ上に順にＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長される。また、発光ダイオード１は、カソード電極１５と、アノード電極１７と、金属反射膜１９とを備えている。

基板３は、導電性を有するＧａＮ系化合物からなる。本実施形態では、基板３はＧａＮからなる。基板３は、活性層９において発生する光を透過することができる。基板３の比抵抗率は、０．５Ωｃｍ以下となっている。また、ｎ型バッファ層５は、基板３の主面３ａ上に形成されている。ｎ型バッファ層５は、ｎ型の不純物がドープされた窒化物半導体からなり、例えば本実施形態ではＳｉがドープされたＧａＮからなる。

ｎ型クラッド層７は、ｎ型の不純物がドープされた窒化物半導体からなる。例えば、本実施形態ではｎ型クラッド層７はＳｉがドープされたＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなる。ｎ型クラッド層７は、ｎ型バッファ層５上に形成されている。

活性層９は、ｎ型クラッド層７上に形成されており、多重量子井戸構造を有している。ここで、図２は、本実施形態における活性層９の構成を示す断面図である。図２を参照すると、活性層９は、バリア層２９ａ〜２９ｃ並びに井戸層３１ａ及び３１ｂを有している。すなわち、活性層９は、バリア層２９ａ、井戸層３１ａ、バリア層２９ｂ、井戸層３１ｂ、及びバリア層２９ｃが順にｎ型クラッド層７上に積層されることにより構成されている。

バリア層２９ａ〜２９ｃ並びに井戸層３１ａ及び３１ｂは、Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（０≦Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１、０≦Ｘ２＋Ｙ２＜１）などのＧａＮ系半導体からなる。本実施形態では、バリア層２９ａ〜２９ｃの組成は０＜Ｘ２＜１且つＹ２＝０であり、井戸層３１ａ及び３１ｂの組成は０＜Ｘ２＜１且つ０＜Ｙ２＜１である。バリア層２９ａ〜２９ｃ並びに井戸層３１ａ及び３１ｂの組成は、バリア層２９ａ〜２９ｃのバンドギャップが井戸層３１ａ及び３１ｂよりも大きくなるように調整されている。

ｐ型クラッド層１１は、ｐ型の不純物がドープされた窒化物半導体からなる。例えば、本実施形態ではｐ型クラッド層１１はＭｇがドープされたＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなる。ｐ型クラッド層１１は、活性層９上に形成されており、活性層９は、ｎ型クラッド層７とｐ型クラッド層１１との間に設けられることとなる。

ｐ型コンタクト層１３は、ｐ型クラッド層１１とアノード電極１７とを電気的に接続するための層であり、ｐ型の不純物がドープされた窒化物半導体からなる。例えば、本実施形態ではｐ型コンタクト層１３はＭｇがドープされたＧａＮからなる。ｐ型コンタクト層１３は、ｐ型クラッド層１１上に形成されている。

アノード電極１７は、ｐ型コンタクト層１３上に設けられている。アノード電極１７は、本実施形態における第２の電極である。アノード電極１７の厚さは、例えば５ｎｍ以下である。ここで、図３は、発光ダイオード１を基板３の主面３ａ側から見た図である。図３に示すとおり、アノード電極１７は、ｐ型コンタクト層１３上において一様なパターンで設けられている。ここで、「一様なパターン」とは、或る形状が規則的・周期的に配列されているようなパターンをいう。また、アノード電極１７は、格子状といった所定のパターンで形成されている。アノード電極１７のパターンは、発光ダイオード１の厚さ方向と交差するアノード電極１７の面積がｐ型コンタクト層１３の面積の１０％以上６０％以下となるように形成されることが好ましい。本実施形態では、アノード電極１７の面積がｐ型コンタクト層１３の面積の２３％となるようにアノード電極１７のパターンが形成されている。

また、本実施形態では、アノード電極１７の格子状パターンにおける単位格子の一辺の長さが、６０μｍ以下となっている。換言すれば、本実施形態では、ｐ型コンタクト層１３上の何処においてもアノード電極１７までの距離が３０μｍ以下となっている。また、アノード電極１７における格子枠の太さは、例えば１００μｍ以下である。

また、本実施形態では、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３との間の接触抵抗率が１×１０^−３Ωｃｍ^２以下となっている。すなわち、発光ダイオード１を製造する際に、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３とが接した状態で加熱処理を行うことにより、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３とのオーミック接触を実現する。これにより、所望の接触抵抗率を得ることが可能となる。

また、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３とのオーミック接触を好適に実現するために、アノード電極１７は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄのうち少なくとも一種類の金属からなることが好ましい。本実施形態では、アノード電極１７はＮｉ及びＡｕによる積層構造となっている。

金属反射膜１９は、活性層９において発生した光Ｌ１のうち、基板３とは反対側に向かう光Ｌ１を反射するための膜である。また、金属反射膜１９は、発光ダイオード１の外部からアノード電極１７へ駆動電流を供給するために導電性を有する金属からなる。金属反射膜１９は、ｐ型コンタクト層１３上及びアノード電極１７上に形成されている。すなわち、金属反射膜１９は、格子状のアノード電極１７上と、ｐ型コンタクト層１３上において格子状のアノード電極１７が存在しない部分（すなわち、格子の隙間）とに設けられている。金属反射膜１９は、光Ｌ１に対する反射率がアノード電極１７よりも良好な金属からなる。例えば、金属反射膜１９は、波長４００ｎｍ〜８００ｎｍといった可視光に対する反射率のよいＡｇ及びＡｌの少なくとも一方を含む金属からなることが好ましい。また、金属反射膜１９は、上記した波長の可視光に対する反射率が８０％以上であることが好ましい。

ここで、図４は、アノード電極１７及び金属反射膜１９付近の拡大断面図である。図４を参照すると、発光ダイオード１は、アノード電極１７及びｐ型コンタクト層１３と金属反射膜１９との間に、Ｔｉからなる接着膜２１を備えている。接着膜２１は、金属反射膜１９とアノード電極１７及びｐ型コンタクト層１３とを互いに接着するために設けられている。接着膜２１の厚さは、例えば２ｎｍ以下である。

再び図１を参照すると、カソード電極１５は、基板３の裏面３ｂ上の一部に設けられている。カソード電極１５は、本実施形態における第１の電極である。カソード電極１５は、例えば図示しない電極パッドに配線を介して電気的に接続されており、発光ダイオード１の外部から駆動電圧を金属反射膜１９との間に印加される。

上記した構成を備える発光ダイオード１の動作は、以下のとおりである。金属反射膜１９とカソード電極１５との間に発光ダイオード１の外部から駆動電圧が印加されると、アノード電極１７とカソード電極１５との間に電界が発生する。そして、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層１２において発生したキャリアが活性層９内の井戸層３１ａ、３１ｂに集中する。これにより、活性層９において光Ｌ１が発生する。活性層９において発生した光Ｌ１は四方に散乱するが、基板３とは反対側へ向かった光Ｌ１は、金属反射膜１９において反射し、基板３を透過して発光ダイオード１の外部へ出射される。

また、アノード電極１７の形成方法は以下のとおりである。まず、ｐ型コンタクト層１３上に、蒸着またはスパッタ法によりＮｉ層を形成する。そして、リフトオフ法またはエッチングによりＮｉ層を格子状パターンとする。続いて、４００℃以上の温度で熱処理を行い、Ｎｉ層とｐ型コンタクト層１３との間にオーミック接触を形成する。続いて、蒸着またはスパッタ法によりＮｉ層上にＡｕ層を形成する。こうして、Ｎｉ／Ａｕからなる格子状のアノード電極１７が形成される。

上記した本実施形態による発光ダイオード１は、次の効果を有する。すなわち、本実施形態の発光ダイオード１では、アノード電極１７が格子状といった所定パターンで設けられ、金属反射膜１９がアノード電極１７上及びｐ型コンタクト層１３上に設けられている。これにより、活性層９から基板３とは反対側へ向かう光Ｌ１は、ｐ型コンタクト層１３上に設けられた金属反射膜１９において好適に反射し、基板３を透過して発光ダイオード１の外部へ出射される。従って、本実施形態による発光ダイオード１によれば、金属反射膜１９において反射する光Ｌ１が例えば特許文献１のオーミック層等によって減衰されないので、活性層９において発生した光Ｌ１の取り出し効率を向上することができる。

また、本実施形態による発光ダイオード１では、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層１２が、それぞれＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなるｎ型クラッド層７及びｐ型クラッド層１１を有している。また、活性層９が、ＧａＮ、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ、Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ、及びＡｌ_Ｘ３Ｉｎ_Ｙ３Ｇａ_{１−Ｘ３−Ｙ３}Ｎのうち少なくとも一種類の半導体材料からなるバリア層２９ａ〜２９ｃ並びに井戸層３１ａ及び３１ｂを有している。これにより、青色光や紫外光など比較的短波長の光を効率よく発生することができる。

また、特許文献１に開示されたような従来の半導体発光素子（特に、サファイア基板を用いたもの）では、基板の導電性が良好ではないため、基板の一方の面側にアノード電極及びカソード電極が配置されている。これに対し、本実施形態による発光ダイオード１では、導電性を有するＧａＮ系化合物からなる基板３の裏面３ｂ上にカソード電極１５が設けられることにより、カソード電極１５及びアノード電極１７がそれぞれ基板３の両側に配置されている。

ここで、図５は、基板の一方の面側にアノード電極及びカソード電極が配置された従来の半導体発光素子と、基板３の両側にアノード電極１７及びカソード電極１５が配置された発光ダイオード１とにおける、駆動電流と発光強度との相関を示すグラフである。なお、図５において、グラフＧ１は発光ダイオード１における場合を示し、グラフＧ２は従来の半導体発光素子における場合を示している。図５に示すように、グラフＧ１では駆動電流の増加に従って発光強度が順調に伸びているが、グラフＧ２では駆動電流の増加につれて発光強度の伸びが鈍っている。これは、従来の半導体発光素子においては、ｐ型半導体層（またはｎ型半導体層）の面積が制限されることによる発熱などの影響によって、発光効率が低く抑えられているためと考えられる。これに対し、本実施形態の発光ダイオード１によれば、カソード電極１５及びアノード電極１７がそれぞれ基板３の両側に配置されることにより、ｐ型クラッド層１１や活性層９などの半導体層の面積が制限されないので、活性層９における発光効率を高めることができる。

また、本実施形態による発光ダイオード１では、基板３の比抵抗率が０．５Ωｃｍ以下となっている。基板３はこのような比抵抗率を有することが好ましく、これによって、基板３の導電性が良好となり、基板３内において電流が拡がり易くなる。従って、活性層９における電流密度がほぼ均一となるので、活性層９における発光効率をさらに高めることができる。

また、本実施形態による発光ダイオード１では、波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の可視光に対する金属反射膜１９の反射率が８０％以上であることが好ましい。これによって、活性層９において発生した光Ｌ１が可視光である場合の取り出し効率をさらに向上することができる。

また、本実施形態による発光ダイオード１では、金属反射膜１９が、Ａｇ及びＡｌの少なくとも一方を含む金属からなっている。金属反射膜１９が、光を反射し易いこれらの金属からなることによって、活性層９において発生した光Ｌ１の取り出し効率をさらに向上することができる。

また、本実施形態による発光ダイオード１のように、厚さ方向から見たアノード電極１７の面積が、ｐ型コンタクト層１３の面積の６０％以下であることが好ましい。ここで、図６は、アノード電極１７の面積がｐ型コンタクト層１３の面積に占める割合（被覆率）と、基板３とは反対方向へ向かった光Ｌ１のうち金属反射膜１９において反射する光Ｌ１の割合との相関を示すグラフである。なお、図６において、グラフＧ３はアノード電極１７がＮｉ／Ａｕからなる場合を示し、グラフＧ４はアノード電極１７がＰｔからなる場合を示している。図６に示すように、被覆率が６０％以下であれば、ｐ型コンタクト層１３上においてアノード電極１７が存在しない部分に設けられる金属反射膜１９の面積が広くなり、グラフＧ３及びＧ４の双方において反射割合が５０％以上となる。発明者の知見によれば、従来の半導体発光素子においては、アノード電極自体の反射率を向上させても反射割合が５０％に満たない。これに対し、本実施形態の発光ダイオード１によれば、反射割合を５０％以上にできるので、活性層９において発生した光Ｌ１が金属反射膜１９においてより多く反射することとなり、光Ｌ１の取り出し効率をさらに向上することができる。

また、厚さ方向から見たアノード電極１７の面積は、ｐ型コンタクト層１３の面積の１０％以上であることが好ましい。ここで、図７は、アノード電極１７によるｐ型コンタクト層１３の被覆率が５％、１０％、及び１００％の各場合における、駆動電流と発光強度との相関を示すグラフである。なお、図７において、グラフＧ５は被覆率が５％の場合を示し、グラフＧ６は被覆率が１０％の場合を示し、グラフＧ７は被覆率が１００％の場合を示している。図７に示すように、被覆率が１０％以上であれば駆動電流の増加に応じて発光強度も好適に増加するが、被覆率５％では、駆動電流の伸びに対して発光強度の伸びが鈍っている。これは、被覆率が小さいと、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３との間の接触抵抗が増大し、発熱によって活性層９における発光効率が低下するためと考えられる。

また、図８は、駆動電流が１００ｍＡと２０ｍＡの各場合における、被覆率と駆動電圧との相関を示すグラフである。なお、図８において、グラフＧ８は駆動電流が１００ｍＡである場合を示し、グラフＧ９は駆動電流が２０ｍＡである場合を示している。図８に示すように、被覆率が１０％以下になると、グラフＧ８、Ｇ９ともに駆動電圧が急激に増大している。これは、被覆率が小さいと、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３との間の電流密度が増えるためである。従って、被覆率が小さいと、発光ダイオード１における消費電力が急激に増大することとなる。

本実施形態による発光ダイオード１によれば、被覆率が１０％以上であり、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３との接触部分における接触抵抗を低く抑えることができるので、熱による発光効率の低下や消費電力の増大を防ぐことができる。

また、本実施形態による発光ダイオード１では、アノード電極１７のパターンが、ｐ型コンタクト層１３上において一様なパターンとなっている。これによって、活性層９に駆動電流を充分に均一に流すことができるので、活性層９を流れる電流量を充分確保し、アノード電極１７を格子状にパターン化したことによる発光効率の低下を抑えることができる。

また、本実施形態による発光ダイオード１では、アノード電極１７が格子状のパターンで形成されている。これによって、活性層９を流れる電流量を充分均一に確保して発光効率の低下を抑えることができる。また、この場合、本実施形態のように、単位格子の一辺の長さが６０μｍ以下であることが好ましい。換言すれば、ｐ型コンタクト層１３上においてアノード電極１７が存在しない部分の何処においてもアノード電極１７までの距離が３０μｍ以下であることが好ましい。

ここで、図９（ａ）及び図９（ｂ）は、アノード電極からの距離に応じた、活性層９における電流密度の解析結果を説明するための図である。図９（ａ）は、解析条件となるアノード電極形状を示している。なお、この解析においては、点状の２つのアノード電極３０の径（図９（ａ）における距離ａ_１）を２０μｍ、アノード電極３０同士の間隔（図９（ａ）における間隔ａ_２）を６０μｍとした。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示したアノード電極形状での解析結果を示す図である。図９（ｂ）では、アノード電極３０の直下における電流量を１とした場合の、活性層９における電流分布を示している。図９（ｂ）を参照すると、アノード電極３０同士の間隔ａ_２が６０μｍ以内である場合には、双方のアノード電極３０から等しい距離ａ_３の位置（図中Ａ）において電流量が０．７以上となり、充分な電流量を確保できていることがわかる。すなわち、アノード電極１７同士の間隔が６０μｍ以下、換言すればｐ型コンタクト層１３上の何処においてもアノード電極１７までの距離が３０μｍ以下であれば、活性層９に充分均一な駆動電流を流すことができる。従って、本実施形態の発光ダイオード１によれば、活性層９に駆動電流を充分に均一に流すことができるので、アノード電極１７を格子状にパターン化したことによる発光効率の低下を抑えることができる。

また、本実施形態による発光ダイオード１では、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３との間の接触抵抗率が１×１０^−３Ωｃｍ^２以下となっている。これにより、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３との接触部分における発熱量を低く抑えることができるので、熱による発光効率の低下や消費電力の増大を防ぐことができる。

また、本実施形態による発光ダイオード１は、ｐ型コンタクト層１３及びアノード電極１７と金属反射膜１９との間にＴｉを含む接着膜２１を備えている。これによって、アノード電極１７と金属反射膜１９との電気的な接続状態を損ねることなく、金属反射膜１９がｐ型コンタクト層１３及びアノード電極１７から剥がれることを防止できる。

（第２の実施の形態）
図１０は、本発明による半導体発光素子の第２実施形態として、発光ダイオード１ａを示す図である。なお、図１０は、発光ダイオード１ａを基板の主面側から見た図であり、金属反射膜１９及びアノード電極２３が示されている。本実施形態の発光ダイオード１ａが上記した第１実施形態の発光ダイオード１と異なる点は、アノード電極２３のパターン形状である。発光ダイオード１ａにおけるアノード電極２３以外の構成については、第１実施形態の発光ダイオード１の構成と同様なので、詳細な説明を省略する。

図１０を参照すると、本実施形態による発光ダイオード１ａでは、アノード電極２３のパターンが、互いに離れた複数の単位部分２３ａにより構成されている。アノード電極２３はｐ型コンタクト層（図示せず）の上に設けられており、その材料は第１実施形態のアノード電極１７と同様である。また、アノード電極２３とｐ型コンタクト層とがオーミック接触している点も第１実施形態と同様である。

アノード電極２３のパターンは、１個の単位部分２３ａに対して４個または６個（本実施形態では６個）の単位部分２３ａが隣り合うように規則的に配置されている。また、単位部分２３ａの径は１００μｍ以下（本実施形態では２０μｍ）であり、互いに隣り合う単位部分２３ａ同士の間隔は６０μｍ以下（本実施形態では５０μｍ）である。すなわち、本実施形態では、発光ダイオード１ａの厚さ方向と交差する面方向における複数の単位部分２３ａの総面積が、ｐ型コンタクト層の表面の面積の１４％となっている。なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、複数の単位部分２３ａからなるアノード電極２３の面積が、ｐ型コンタクト層の面積の１０％以上６０％以下であることが好ましい。また、互いに隣り合う単位部分２３ａ同士の間隔は、図９を参照して説明したとおり６０μｍ以下であること、換言すればｐ型コンタクト層上の何処においても単位部分２３ａまでの距離が３０μｍ以下であることが好ましい。

本実施形態による発光ダイオード１ａでは、アノード電極２３のパターンが、規則的に配置された複数の単位部分２３ａにより構成されている。これにより、活性層に駆動電流を効率的に流すことができるので、アノード電極２３をパターン化したことによる発光効率の低下を抑えることができる。なお、発明者による解析では、ｐ型コンタクト層の全面にアノード電極が設けられた従来の半導体発光素子に対し、本実施形態による発光ダイオード１ａでは駆動電流２０ｍＡで約３８％の発光強度の増加が確認された。

（第３の実施の形態）
続いて、本発明による半導体発光素子の第３実施形態について説明する。本実施形態では、半導体発光素子として、一辺が２ｍｍの発光ダイオードを例に示す。図１１は、本実施形態による発光ダイオード１ｂのｐ型コンタクト層１４を、基板と対向する面とは反対側の表面１４ａ側から見た図である。本実施形態のｐ型コンタクト層１４は、次の点を除いて第１実施形態のｐ型コンタクト層１３と同様である。すなわち、本実施形態のｐ型コンタクト層１４は、表面１４ａに第１の領域２５ａ及び第２の領域２５ｂを有している。第１の領域２５ａは、表面１４ａの平面形状（矩形）と相似する形状をしており、表面１４ａの中央に配置されている。第２の領域２５ｂは、表面１４ａにおいて第１の領域２５ａを囲んでいる。

また、アノード電極のパターンが第１の領域２５ａ上の第１のパターンと第２の領域２５ｂ上の第２のパターンとで構成され、第１のパターンの面積が第１の領域２５ａの面積に占める割合が、第２のパターンの面積が第２の領域２５ｂの面積に占める割合よりも大きい。換言すれば、ｐ型コンタクト層１４上において、第１のパターンによる第１の領域２５ａの被覆率が第２のパターンによる第２の領域２５ｂの被覆率よりも大きい。

本実施形態では、アノード電極の第１及び第２のパターンは、いずれも複数の単位部分（図示しない）によって構成されている。アノード電極の第１のパターンでは、単位部分の径は例えば２０μｍであり、互いに隣り合う単位部分同士の間隔は例えば５０μｍである。また、第２のパターンでは、単位部分の径は例えば１５μｍであり、互いに隣り合う単位部分同士の間隔は例えば６０μｍである。これにより、第１のパターンによる被覆率は１４％、第２のパターンによる被覆率は５．５％となる。そして、第１のパターンと第２のパターンとを合わせた被覆率は、１０％となる。

一般的に、活性層において発生する光は、発光ダイオード１ｂの周辺部分に集まりやすい。本実施形態による発光ダイオード１ｂによれば、発光ダイオード１ｂの周辺部分（すなわち、第２の領域２５ｂ）における金属反射膜の面積が広くなるので、活性層において発生した光の取り出し効率をさらに向上することができる。なお、発明者による解析では、ｐ型コンタクト層の全面にアノード電極が設けられた従来の半導体発光素子に対し、本実施形態による発光ダイオード１ｂでは駆動電流２００ｍＡで約３８％の発光強度の増加が確認された。

本実施形態の変形例として、アノード電極が第１の領域２５ａ上にのみ設けられ、第２の領域２５ｂには設けられないような構成であってもよい。このような構成であっても、上記した本実施形態の発光ダイオード１ｂによる効果と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施の形態）
図１２は、本発明による半導体発光素子の第４実施形態として、発光ダイオード１ｃを示す図である。なお、図１２は、発光ダイオード１ｃを基板の主面側から見た図であり、金属反射膜１９と、アノード電極２３のパターンを構成する複数の単位部分２３ａとが示されている。本実施形態の発光ダイオード１ｃが上記した第１実施形態の発光ダイオード１と異なる点は、アノード電極２３のパターン形状である。すなわち、本実施形態では、アノード電極２３が、ｐ型コンタクト層表面の第１の領域２５ａ内にのみ設けられており、第２の領域２５ｂ内には設けられていない。なお、単位部分２３ａの径や単位部分２３ａ同士の間隔は、第２実施形態と同様である。

本実施形態による発光ダイオード１ｃにおいても、上記した各実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、発明者による解析では、ｐ型コンタクト層の全面にアノード電極が設けられた従来の半導体発光素子に対し、本実施形態による発光ダイオード１ｃでは駆動電流２０ｍＡで約５６％の発光強度の増加が確認された。

（第５の実施の形態）
図１３は、本発明による半導体発光素子の第５実施形態として、発光ダイオード１ｄを示す図である。なお、図１３は、発光ダイオード１ｄを基板の主面側から見た図であり、金属反射膜１９と、アノード電極２７ａ及び２７ｂとが示されている。本実施形態の発光ダイオード１ｄが上記した第１実施形態の発光ダイオード１と異なる点は、アノード電極のパターン形状である。すなわち、本実施形態では、ｐ型コンタクト層表面の第１の領域２５ａ内にアノード電極２７ａが設けられ、第２の領域２５ｂ内にアノード電極２７ｂが設けられている。

アノード電極２７ａ及び２７ｂは、ともに格子状のパターンを有する。アノード電極２７ｂの単位格子の寸法は、第１実施形態と同様である。また、アノード電極２７ａの単位格子の寸法は、アノード電極２７ｂの単位格子の寸法よりも小さくなっている。これにより、第１の領域２５ａにおけるアノード電極２７ａのパターンが、第２の領域２５ｂにおけるアノード電極２７ｂのパターンよりも密になっている。

本実施形態による発光ダイオード１ｄにおいても、上記した各実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明による半導体発光素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、アノード電極のパターンは上記した各実施形態（格子状または複数の単位部分）以外にも、様々なパターンとすることができる。また、上記した実施形態の半導体発光素子は、ＧａＮからなる基板を備えているが、このような基板を備えなくともよい。例えば、サファイア基板上にＧａＮ系半導体からなるｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層を積層し、サファイア基板からこれらの層を剥がすことによって半導体発光素子を形成してもよい。このような半導体発光素子においても、本発明を適用することができる。

図１は、本発明による半導体発光素子の第１実施形態として、発光ダイオードの構成を示す断面図である。 図２は、第１実施形態における活性層の構成を示す断面図である。 図３は、発光ダイオードを基板の主面側から見た図である。 図４は、アノード電極及び金属反射膜付近の拡大断面図である。 図５は、基板の一方の面側にアノード電極及びカソード電極が配置された従来の半導体発光素子と、基板の両側にアノード電極及びカソード電極が配置された発光ダイオードとにおける、駆動電流と発光強度との相関を示すグラフである。 図６は、アノード電極の面積がｐ型コンタクト層の面積に占める割合（被覆率）と、基板とは反対方向へ向かった光が金属反射膜において反射する割合との相関を示すグラフである。 図７は、アノード電極によるｐ型コンタクト層の被覆率が５％、１０％、及び１００％の各場合における、駆動電流と発光強度との相関を示すグラフである。 図８は、駆動電流が１００ｍＡと２０ｍＡの各場合における、被覆率と駆動電圧との相関を示すグラフである。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、アノード電極からの距離に応じた、活性層における電流密度の解析結果を説明するための図である。 図１０は、本発明による半導体発光素子の第２実施形態として、発光ダイオードを示す図である。 図１１は、第３実施形態による発光ダイオードのｐ型コンタクト層を、基板と対向する面とは反対側の表面側から見た図である。 図１２は、本発明による半導体発光素子の第４実施形態として、発光ダイオードを示す図である。 図１３は、本発明による半導体発光素子の第５実施形態として、発光ダイオードを示す図である。

符号の説明

１、１ａ〜１ｄ…発光ダイオード、３…基板、３ａ…主面、３ｂ…裏面、５…ｎ型バッファ層、６…ｎ型半導体層、７…ｎ型クラッド層、９…活性層、１１…ｐ型クラッド層、１２…ｐ型半導体層、１３、１４…ｐ型コンタクト層、１５…カソード電極、１７、２３…アノード電極、１９…金属反射膜、２１…接着膜、２３ａ…単位部分、２５ａ…第１の領域、２５ｂ…第２の領域、２７ａ、２７ｂ…アノード電極、２９ａ〜２９ｃ…バリア層、３１ａ、３１ｂ…井戸層。

Claims (14)

1. 窒化物半導体からなり、ＧａＮ系化合物からなる基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、
   窒化物半導体からなり、前記第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、
   窒化物半導体からなり、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、
   前記基板の裏面上に設けられ、前記第１導電型半導体層と電気的に接続された第１の電極と、
   前記第２導電型半導体層上に所定のパターンで設けられた第２の電極と、
   前記第２導電型半導体層上及び前記第２の電極上に設けられた金属反射膜と、
   を備え、
   前記所定のパターンが、前記第２導電型半導体層の表面における第１の領域上の第１のパターンと、前記第１の領域を囲む第２の領域上の第２のパターンとで構成されており、前記第１及び第２のパターンそれぞれが複数の単位格子からなる格子状であり、前記第１のパターンの面積が前記第１の領域の面積に占める割合が、前記第２のパターンの面積が前記第２の領域の面積に占める割合よりも大きく、
   前記単位格子の一辺の長さが６０μｍ以下である、半導体発光素子。
2. 窒化物半導体からなり、ＧａＮ系化合物からなる基板の主面上に設けられた第１導電型半導体層と、
   窒化物半導体からなり、前記第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、
   窒化物半導体からなり、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、
   前記基板の裏面上に設けられ、前記第１導電型半導体層と電気的に接続された第１の電極と、
   前記第２導電型半導体層上に所定のパターンで設けられた第２の電極と、
   前記第２導電型半導体層上及び前記第２の電極上に設けられた金属反射膜と、
   を備え、
   前記所定のパターンが、前記第２導電型半導体層の表面における第１の領域上の第１のパターンと、前記第１の領域を囲む第２の領域上の第２のパターンとで構成されており、前記第１及び第２のパターンそれぞれが、互いに離れた複数の単位部分からなり、前記第１のパターンの面積が前記第１の領域の面積に占める割合が、前記第２のパターンの面積が前記第２の領域の面積に占める割合よりも大きく、
   前記所定のパターンにおいて、互いに隣り合う前記単位部分同士の間隔が６０μｍ以下である、半導体発光素子。
3. 前記所定のパターンにおいて、１個の前記単位部分に対して４個または６個の前記単位部分が隣り合うように前記複数の単位部分が規則的に配置されている、請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層の各々がＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）を含み、
   前記活性層が、Ａｌ_Ｘ２Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_{１−Ｘ２−Ｙ２}Ｎ（０≦Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１、０≦Ｘ２＋Ｙ２＜１）を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
5. 前記基板の比抵抗率が０．５Ωｃｍ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
6. 波長４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光に対する前記金属反射膜の反射率が８０％以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
7. 前記金属反射膜が、Ａｇ及びＡｌの少なくとも一方を含む金属からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
8. 厚さ方向と交差する前記第２の電極の面積が、前記第２導電型半導体層の面積の６０％以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
9. 前記第２導電型半導体層上において前記第２の電極が存在しない部分の何処においても前記第２の電極までの距離が３０μｍ以下である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
10. 前記第２の電極と前記第２導電型半導体層との間の接触抵抗率が１×１０^−３Ωｃｍ^２以下である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
11. 前記第２の電極が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄのうち少なくとも一種類の金属からなる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
12. 前記第２導電型半導体層が、前記第２の電極と接するコンタクト層を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
13. 厚さ方向と交差する前記第２の電極の面積が、前記第２導電型半導体層の面積の１０％以上である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
14. 前記第２導電型半導体層及び前記第２の電極と前記金属反射膜との間にＴｉを含む接着膜を備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
    

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