JP4765916B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体を用いた半導体発光素子及びその製造方法に関する。

近年、種々の分野において、光を利用した技術が普及してきており、それら光を発する素子として、ＧaＮ系青色ＬＥＤ等の半導体発光素子が用いられている。
これら半導体発光素子の中には、基板としてサファイアやシリコンカーバイト（ＳiＣ）などからなる透光性（光を透過する性質）の基板を用いることもできるが、コスト削減などの観点から、シリコン（Ｓi）が用いられてる場合がある。
しかし、シリコン基板が非透光性基板であるため、活性層から出射された光は、シリコン基板へと進行するが、このシリコン基板内を透過することなく、熱などとして吸収されてしまう。

この結果、活性層から出射される光のうち、シリコン基板とは反対方向である上方側に向かって、進行する光は取り出すことができるが、逆に下方側のシリコン基板へ進行する光は上述したように吸収されて取り出すことはできない。
したがって、シリコン基板を用いた場合、透光性の基板を使用した場合に比較して、１／４〜１／５程度の光強度の出力しか得られない。

そこで、基板と、この基板の一方の主面に配置された発光部を有し、基板の一方の主面の少なくとも一部に設けられた凹部と、この凹部に配置されている導電層とを有し、発光部から出射された光をこの導電層により反射する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
この構成によれば、発光部から出射された光を上記導電層により、反射させることにより、シリコン基板により吸収される光の割合を削減することができ、反射した光を上方に進行させることにより、上方側における光の取り出し効率を向上させることができる。
特開２００６−２３７４６７号公報

しかしながら、特許文献１に示す半導体発光素子にあっては、構成図を見るとそれほど活性層中央付近から凹部に配置された導電層までの横方向の距離が長くないように見えるが、実際の半導体発光素子の断面構造を見ると、薄いシート状である。よって、直接的に上方へ向かう光の経路に比較すると、活性層の中央付近から側方に配置された導電層までの経路が平面的に非常に長い。
このため、上記従来の半導体発光素子は、活性層の中央付近から側方へ出射された光が、上方側に反射する凹部の導電層に到達するまでに、この経路中において熱として消費されてしまう欠点がある。
また、従来の半導体発光素子は、凹部にて反射されることにより、その光のエネルギーの一部が導電層とシリコン基板との界面にて吸収されて熱となってしまう欠点を有する。

また、特許文献１に示す半導体発光素子は、シリコン基板の一方の少なくとも一部に凹部に導電層を充填する場合、シリコン基板との密着性が比較的良好で、かつシリコン基板の表面と比較して反射率の高い導電層の材料が限られており、加えて、凹部に導電層を充填するため埋込工程が必要となるため、全体的な製造コストが増加してしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、上方に出射される光が多い、すなわち光の取り出し効率が従来例に比較して高く、製造コストを低減することができる半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本願発明の半導体発光素子は、基板と、該基板と異なる材料の化合物半導体の材料にて、基板の一方の主面に形成された活性層を含む活性層形成部と、該活性層形成部の上面から活性層を貫通する複数の孔と、該孔の位置に対応して前記活性層と基板との間に設けられ、平面視において前記孔に比較して面積が大きい空洞部とを有し、前記活性層形成部の下部に前記空洞部が延伸して形成され、平面視において、空洞部の領域と重なる、延伸した活性層形成部の下部が露出されていることを特徴とする。

本願発明の半導体発光素子は、前記空洞部が前記孔から連続して形成されたものであり、平面視において活性層形成部の上面に設けられたパッド電極から離れる方向の隣り合う空洞部同士が互いに接して形成されていることを特徴とする。

本願発明の半導体発光素子は、前記基板が前記活性層から出射される光に対して非透過性であることを特徴とする。

本願発明の半導体発光素子は、前記活性層形成部の上面に設けられたパッド電極をさらに有し、平面視において、素子の外周領域に比較し、前記パッド領域近傍にて空洞部がより密に形成されていることを特徴とする。

本願発明の半導体発光素子は、前記基板がシリコン系基板であり、前記活性層形成部が窒化物系化合物半導体から形成されていることを特徴とする。

本願発明の半導体発光素子は、前記活性層形成部の露出された下部に多数の第１の凹凸が形成されていることを特徴とする。

本願発明の半導体発光素子は、前記活性層形成部の上面に形成された透明電極をさらに有し、透明電極の上部に前記第１の凹凸に比較して、平面視において凹部と凸部との幅の小さな多数の第２の凹凸が形成されていることを特徴とする。
本願発明の半導体発光素子は、前記パッド電極が平面視にて素子中央に形成され、該パッド電極の下部に素子を高圧から保護する保護素子が形成され、該保護素子の周囲に前記活性層形成部が形成されていることを特徴とする。

本願発明の半導体発光素子の製造方法は、活性層を含む活性層形成部を基板の一方の主面上に形成する第１の工程と、前記活性層形成部を貫通する孔を形成する第２の工程と、
前記第２の工程で形成した孔により露出した前記基板の前記一方の主面の部分から前記基板をエッチングするエッチング液にて前記活性層形成部と基板との間に空洞部を形成する第３の工程とを備えたことを特徴とする。

本願発明の前記第３の工程において形成された空洞部によって、露出された前記活性層形成部の下部に多数の第１の凹凸を形成する第４の工程をさらに有することを特徴とする。

本願発明の半導体発光素子の製造方法は、素子の上面に透明電極を形成する工程をさらに有し、該透明電極の界面に前記第１の凹凸に比較して、平面視において凹凸の繰り返しの間隔が細かい第２の凹凸を形成することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、活性層形成部の下部に空洞部を設けることにより、活性層から出射された光において、活性層形成部の下方向に進行する光の一部が、空洞部により露出された活性層形成部と空洞部との界面に達する。活性層形成部と空気との屈折率が異なる（空気の屈折率の方が小さい）ため、その光はこの界面にて反射し、半導体発光素子の上方もしくは側方（基板表面に平行方向）に進行方向を換え、基板にて吸収されることを抑制し、活性層が放射した光を効率的に上方へ取り出すことができる。その結果、従来例に比較して出射する光強度を大きくすることができる。

また、本発明によれば、側方に向かう光の一部が、活性層形成部に形成された孔と、活性層形成部の側面との界面に達すると、上述した活性層形成部と空洞部との界面と同様に、活性層形成部及び空気との屈折率の違いにより反射することとなる。
また、本発明によれば、活性層形成部及び空洞部の界面にて反射した光が、さらに孔と活性層形成部の側面との界面に達すると反射して効率的に半導体発光素子の上方へ取り出すことができる。

したがって、本発明によれば、上述した活性層形成部の露出面と空洞部との界面における反射、及び活性層形成部の側面と孔との界面における反射により、下方及び側方に向かう光を削減し、より上方に進行する光の量を増加させ、活性層が放射した光を効率的に上方から取り出すことができ、従来例に比較して出射する光強度を大きくすることができる。

本発明は、基板と、この基板の上面に形成された活性層形成部と、活性層形成部の上面から活性層を貫通するように形成された複数の孔と、光を放射する活性層を含む活性層形成部と基板との間に空洞部を設け、空洞部と活性層形成部との界面又は／そして孔と活性層形成部の界面にて、活性層が放射した光のうちで下方に進行する光を反射させ、活性層が放射した光を効率的に上方から取り出し、光強度を増加させた半導体発光素子に関するものである。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。図２〜図４は、本実施形態による半導体発光素子を上方から平面的に見た場合の構造を示している。図１は、図４のＡ−Ａ線で半導体発光素子を切断した場合の断面構造を示している。

図１において、半導体発光素子は、主面１ａ（一方の主面）及び主面１ｂ（他方の主面）を有しており、主面１ａに空洞部１１の形成された導電性基板１（基板）と、発光機能を有する活性層形成部２と、第１の電極３と、第２の電極４と、パッド電極９と、孔１０とにより形成されている。ここで、活性層形成部２は、第１クラッド層５と、第２クラッド層６と、活性層５とを有している。また、図１では、半導体発光素子の保護膜の図示を省略している。

導電性基板１は、活性層５から放射される光に対して非透過性を有し、シリコンを構成元素に含むシリコン系基板であり、例えば、シリコン（Ｓｉ）若しくはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等で構成され、導電性を有する。この導電性基板１は、バッファ層１２及び活性層形成部２をエピタキシャル成長させる土台としての基板の機能と、半導体発光素子の電流通路としての機能と、活性層形成部２及び第１の電極３等を保持する機能とを有する。

ここで、抵抗率を小さくするため、比較的高い不純物濃度となるようにドーピングされたシリコン系材料を導電性基板１の材料として用いることができる。例えば、ボロン（Ｂ）等の３族元素を含み、Ｐ型不純物濃度が５×１０^１８〜５×１０^１９［ｃｍ^−３］程度あり、抵抗率が０．０００１〜０．０１［Ω・ｃｍ］であるシリコン系基板を導電性基板１として用いることができる。また、導電性基板１として、リン（Ｐ）等の５族元素を含むＮ型の導電性基板を用いてもよい。導電性基板１は主面１ａ及び１ｂを備えており、主面１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方位において、例えば（１１１）面である。導電性基板１の厚みは、活性層形成部２を形成するための土台、すなわち半導体発光素子を保持する土台としての機能を有するため、例えば２００〜５００μｍであることが望ましい。

導電性基板１の主面１ａには、主面１ａから導電性基板１の内部に向かって（主面１ｂ側に向かって）湾曲する凹部１１ａが形成されている。以下では、半導体発光素子を主面１ａの上方から平面的に見た場合に、凹部１１ａが形成されている領域を領域Ａとし、凹部１１ａが形成されていない領域を領域Ｄとする。凹部１１ａの形成方法の詳細は後述するが、導電性基板１の主面１ａ上に活性層形成部２を形成した後、この活性層形成部２をエッチングして孔（溝）１０を形成し、その孔１０によって露出した主面１ａを等方性エッチングすることによって、凹部１１ａが形成される。

これにより、活性層７より下側に導電性基板１内部へと彫られた凹部１１ａにより、活性層形成部２と導電性基板１との間に空洞部１１が形成されている。すなわち、この活性層形成部２は、下部が空洞部１１の領域に延伸して形成されているため、平面視において、空洞部１１の領域と重なる活性層形成部２の下面が露出されることとなる。
ここで、活性層形成部２の露出した下面と、空洞部との第１の界面においては、活性層形成部２の屈折率と空気の屈折率とが異なるため、活性層７から放射される光のうち、活性層７から下方向に進む光が上記第１の界面により反射され、上方向若しくは上方向と横方向の光となる。これによって、導電性基板１で光が吸収されることなく、半導体発光素子の光取り出し効率を向上することができる。

また、導電性基板１の主面１ａには、上述したように、導電性基板１と異なる異種の材料である窒化物系化合物半導体からなる活性層形成部２がＣＶＤ（化学気相成長）法等により形成されている。
この活性層形成部２は、少なくとも、第１の導電型を有する第１クラッド層５と、活性層７と、第１の導電型と異なる第２の導電型の第２クラッド層６とが積層されたダブルヘテロ構造を有している。
ここで、第１クラッド層５は、Ａl_ａＭ_ｂＧa_{１−ａ−ｂ}Ｎを満足する窒化物系化合物半導体から構成されたものであり、ＧaＮ等のｎ型窒化物系化合物半導体で形成されていることが望ましい。上記窒化物系化合物半導体の化学式において、ＭはＩn（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択された少なくとも１種類の元素であり、ａ，ｂは０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１を満足するものである。

活性層７は、上記第１クラッド層５の上面に形成されており、Ａl_ｘＩn_ｙＧa_{１−ｘ−ｙ}Ｎの化学式において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する組成を有する窒化物系化合物半導体により形成されている。
また、図１において、活性層５は１層の構成により示されているが、実際には周知の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造で形成することが望ましい。なお、活性層７に対してＰ型もしくはＮ型の導電型決定不純物を含有させても良い。

第２クラッド層６は、上記活性層７の上面に形成されており、Ａl_ｈＭ_ｋＧa_{１−ｈ−ｋ}Ｎの化学式において、０≦ｈ≦１、０≦ｋ≦１、０≦ｈ＋ｋ≦１を満足する組成を有する窒化物系化合物半導体により形成され、Ｐ型不純物を含有していることが望ましい。例えば、第２クラッド層６としては、ＧaＮで構成されている。
上述した活性層形成部２において、第１クラッド層５及び第２クラッド層６との間に順方向電圧を印加することにより、活性層７においてキャリアが再結合して、この再結合により活性層７から光が放射される。活性層７がＩn_ｘＧa_１−ｘＮ（ここで、０＜ｘ＜０．２）にて形成されている場合、この活性層７からは約４７０ｎｍの波長の光が放射される。

また、上述した説明において、第１クラッド層５と導電性基板１との間にバッファ（緩衝）層１２を設けても良い。
ここで、図１においては、バッファ層１２は一つの層で示されているが、実際には第１の層が一番下に有り、その上面に第２の層と第１の層とが交互に単層、あるいは多数形成されている。この第１の層としてはＡlを含む窒化物系化合物半導体であることが望ましい。

また、導電性基板１がシリコン基板である場合、格子定数がシリコンの単結晶に近く、シリコン基板の上面に対して、窒化物系化合物半導体として比較的厚く形成することができるＡlＮであることが望ましい。ここで、第１の層はトンネル効果を得ることができる０．５ｎｍから５ｎｍの範囲の厚みにて形成することが望ましい。
第２の層は、上記第１の層と組み合わせることにより、バッファ層１２の緩衝機能をより高める層であり、材料の組成としてＡlを含まないか、あるいはＡlの割合が第１の層に比較して少ないことが望ましく、例えば、ＧaＮにより形成されている。

第１の電極３は、上記第２クラッド層６の上面のほぼ全体に形成されており、活性層７から放射される光に対して、光透過性を有する低抵抗な透明電極である。
すなわち、上記第１の電極３は、酸化インジウム（Ｉn_２Ｏ_３）に対して少量（数％）の酸化錫（ＳnＯ_２）を混合物させたＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を、厚さ１００ｎｍ程度となるように形成することが望ましい。第１の電極３は、第２のクラッド層６がＰ型半導体の場合、ニッケル（Ｎｉ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），金（Ａｕ），イリジウム（Ｉr），ルテニウム（Ｒu），オスミウム（Ｏs）から選択された１種類の金属、若しくはこれらのうちいずれか１つを含む合金で第１の電極３を構成してもよい。一方、第１の電極３は、第２のクラッド層６がＮ型半導体の場合、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）等から選択された１種類の金属、若しくはこれらのうちいずれか１つを含む合金で第１の電極３を構成してもよい。

導電性基板１の主面１ｂ上には主面１ｂのほぼ全体にわたって、第２の電極４が形成されている。この第２の電極４は、導電性基板１と低抵抗接触が可能な金（Ａｕ）、又は金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）、又は金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）とニッケル（Ｎｉ）等の金属を真空蒸着することによって形成される。また、第２の電極４は、導電性基板１と電気的にも機械的にも接続されている。第２の電極４は、導電性基板１の主面１ｂ側に設けられているが、逆に、主面側１ｂと主面側１ａとを逆に用いることにより、主面側１ａに設けるようにしても良い。ただし、この場合、主面１ｂ側に活性層形成部２及び空洞部１１を設ける。

第１の電極３の上面のほぼ中央には、半導体発光素子の外部接続用のパッド電極９が形成されている。パッド電極９は金（Ａｕ）若しくはアルミニウム（Ａｌ）からなる。パッド電極９は第１の電極３の上面の全面には形成されず、半導体発光素子を平面的に見て、第１の電極３の一部がパッド電極９の外側で露出している。パッド電極９は、外部接続ワイヤを接続するボンディング工程に耐えることができる厚みを有している必要があり、例えば１００ｎｍ〜１００μｍの厚みを有する。従って、パッド電極９は、活性層７から発せられる光に対して光透過性を有さず、わずかに光透過性を有していたとしても、外部接続ワイヤが接続されると、光を透過することが困難となる。

上述した構造に代えて、活性層形成部２と第１の電極３の間に公知の電流拡散層やコンタクト層を形成してもよい。また、活性層７と第１の電極３の間のパッド電極９直下に公知の電流ブロック層を形成してもよい。さらに、導電性基板１、第１のクラッド層５、活性層７、及び第２のクラッド層６のそれぞれの導電型を本実施形態と反対の導電型としてもよい。

次に、本実施形態における半導体発光素子の平面視における構成を図２〜図４を参照して説明する。
すでに述べたように、平面視において、活性層形成部２の内側に配置され、活性層形成部２の上面から活性層７を貫通して形成された複数の孔１０と、各孔１０から連続して導電性基板１へと形成された凹部１１ａによる空洞部１１が形成されている。
空洞部１１は、活性層形成部２の下面と、凹部１１ａの底部とから構成され、活性層形成部２と導電性基板１との間に配置しており、図２から図４各々に示されるように、平面視において、孔１０を中心としてその周囲に形成され、活性層形成部２の下面の一部と、凹部１１ａの外殻領域の一部とが重なっており、空洞部１１は孔１０より幅が広く、孔１０の領域を完全に含んでいる。したがって、凹部１１ａと平面視にて重なっている、活性層形成部２の下面の領域は空洞部１１によって露出された状態となっている。

図２に示すように、平面視において、空洞部１１と隣り合う他の空洞部１１とが接するように形成してもよい。
そして、図２のように、隣り合う空洞部１１が互いに接するように形成されていることにより、活性層形成部２の下面における露出部Ｒ（活性層形成部２と空洞部１１との界面）にて、活性層形成部２と空気との屈折率の違いにより、活性層７から下方向に放射した光を反射しやすくなり、活性層７の放射する光の取り出し効率が向上するため、半導体発光素子の発光効率が向上する。

なお、一般的な半導体発光素子において、パッド電極９と第２の電極４との間に順方向電圧を印加した際、電流通路は半導体発光素子のパッド電極９直下を流れるものは短く、一方、パッド電極９から離れるほど長くなる。よってパッド電極９から離れるほど発光強度は弱くなる。
ここで、パッド電極９の周囲に空洞部１１が設けられている場合、パッド電極９を取り囲む方向（円周の方向）に隣り合う空洞部１１が接していると、半導体発光素子の上方から見た光はリング状の縞となってしまう。そこで、パッド電極９から離れる方向（半径方向）に隣り合う空洞部１１が接していると、リング状の縞が目立たなくなる。

また、図３に示すように、パッド電極９近傍の空洞部１１を活性層形成部２の外周領域（外郭）よりも密に配置してもよい。パッド電極９は外部配線と接続されるため厚く形成する必要があり、光非透過性を有している。パッド電極９近傍の空洞部１１を活性層形成部２の外周領域（外郭）よりも密に配置することで、パッド電極９直下近傍の電流通路を狭くしてパッド電極９近傍の電流を従来に比べてより少なく、パッド電極９から遠い領域の電流を従来に比べてより多くする事ができる。
さらに、パッド電極９直下で発した光を活性層形成部２と空洞部１１との界面において反射させることで導電性基板１にて吸収される光を少なくすることができる。さらに、パッド電極９で遮断される光をさらに空洞部１１で反射させることによって、半導体発光素子の外部へと光を取り出すことができる。したがって、半導体発光素子の発光効率を向上することができる。ここで、平面視にて見た孔１０の幅（径）は２００ｎｍ〜１００μｍであり、より好ましくは１μｍ〜３μｍである。

また、図４に示すように、半導体発光素子の中央から外側に向かう放射状の領域にて、孔１０及び空洞部１１が形成される領域と、孔１０及び空洞部１１が形成されない領域との２つの領域を形成するとにより、半導体発光素子の機械的強度の低下を抑制することができる。

以下に、活性層７を貫通する孔１０と活性層形成部２の下に空洞部１１を形成し、活性層形成部２の下面（すなわち、バッファ層１２の下面）に露出部R（活性層形成部２の下面と空洞部１１との界面）を生成することによる半導体発光素子の発光強度の向上について説明する。
活性層形成部２の下部に対して、孔１０に対応した位置に空洞部１１を配置することにより、活性層７が放射した光のうち、下方向（導電性基板１方向）に進行する光の一部が空洞部１１によって露出した活性層形成部２下面の露出部Rと、空洞部１１（すなわち空気）との界面に到達する。
このとき、上記界面に活性層７からの光が到達した際、活性層形成部２と空気との屈折率が異なるため、少なくとも界面に到達した一部の光が反射し、半導体発光素子の上方（活性層形成部２の上部方向）あるいは側方（横方向）に進行方向を変化させることができる。

例えば、活性層形成部２がＧaＮにて形成されている場合、Ｉn_ｘＧa_１−ｘＮ（ここで、０＜ｘ＜０．２）で形成された活性層７から放射される光は約４７０ｎｍである。
このとき、ＧaＮの屈折率が約２．５であり、空気の屈折率が１．０であり、導電性基板１がシリコン基板である場合に屈折率は約４．５である。
したがって、ＧaＮ（活性層形成部２）からＧaＮ／空気（空洞部１１）の界面に達した場合と、ＧaＮからＧaＮ／導電性基板１の界面に達した場合とにおいて、ＧaＮ／空気の界面の方がＧaＮ／導電性基板１の界面よりも反射が起こり易いことが判る。

また、導電性基板１であるシリコン基板は、半導体発光素子１の土台として機能する必要があり、ある程度の厚さ（２００μｍ〜５００μｍ）とされているため、非透過性であり、入射する光を熱に変換してエネルギーを吸収することとなる。
したがって、空洞部１１を形成することにより、活性層形成部２の下面の一部を露出し、活性層形成部２の下面と空気との界面を形成することにより、この界面にて下方に進行してきた光の一部を、良好に反射させることによって、半導体発光素子の上方あるいは側方に進行方向を変更させることが可能となる。

また、活性層形成部２の発光機能を有する部分の形状は、厚さが薄く、厚さ対して横方向に長い構造として形成されている。
このため、従来例の場合のように活性層形成部２の外郭側に反射部を設けると、平面的に見て、活性層形成部２中央部にて放射された光を、半導体発光素子の外部に取り出すため、光が長い経路を伝搬することとなる。屈折を繰り返す毎に光は、エネルギーを消費することとなり、活性層７が放射した光を取り出す効率が低下することとなる。

しかしながら、本実施形態の半導体発光素子は、以下の（１）から（３）により、活性層７にて放射された光の取り出し効率の向上を可能としている。
（１）活性層形成部２の下部に空洞部１１を設けることにより、活性層７にて放射された光のうち、導電性基板１方向に向かう、すなわち下方向に進行する光の一部が、空洞部１１により露出した活性層形成部２の下面と空気との界面Ｒにて反射され、半導体発光素子の上方または側方に進行方向を変更させ、導電性基板１における吸収を抑制することができる。

（２）（１）において側方に進行する光は、活性層形成部２に設けられた複数の孔１０にて露出された活性層形成部２の側面と空気との界面にて、この光の一部が上述した活性層形成部２の下面と空気との界面と同様に反射される。
（３）（２）において反射した光はさらに進行方向を変更して上方の光となる。よって容易に上方に向かう光とすることができ、活性層７から放射された光のエネルギーが反射を繰り返すことで消費されることを抑制し、光の取り出し効率を向上させる。

また、上記界面Ｒに対応する活性層形成部２の露出した下面には、多数の凹凸を有する第１の凹凸２０が形成されていることが望ましい。この第１の凹凸２０は、導電性基板１の主面１ａに対して角度を有する溝（例えば、逆角錐形状または逆円錐形状）として多数形成されている。なお、形成される溝はすべて同一の寸法でなくてもよく、また溝と溝との間に間隔があってもよい。
このように、界面Ｒに第１の凹凸２０が形成されている効果を、図５を用いて以下に示す。図５は、図１のＳの領域を拡大したものであり、第１の凹凸２０の形状（この場合の溝は逆円錐形状）を示す概念図である。
図５に示すように、活性層７から放射された下方に進行した光のうち、（i）の領域に到達した光は、界面Ｒではなく活性形成層２と導電性基板１との界面であるため、一部が反射し、残りが導電性基板１内に進行し、熱に変換されて消費されてしまう。

一方、（ii）の領域に達した光は、界面Ｒにて反射して上方へ進行を変化させる。この際、界面Ｒに第１の凹凸２０が形成され、この第１の凹凸２０の角度が導電性基板１の主面１ａに対して角度を有しているので、下方に進行する光が反射し易い（偏光し易い）。その結果、より上方に進行を変化させる光の量が増加し、活性層７が放射する光の取り出し効率、すなわち発光効率を、従来例に比較して向上させることができる。
また、透明電極である第１の電極３と活性層形成部２との界面に、反射の臨界角以上の角度を有して射する光は、この界面にて反射して半導体発光素子から放射光として、外部に射出されない。
例えば、第２クラッド層６がＧaＮにて形成されている場合、第１の電極３とＧaＮとの屈折率の違いにより、臨界角以上の角度にて入射すると、この入射した光は空気とＧaＮとの界面にて反射してしまう。

そこで、透明電極である第１の電極３と第２クラッド層６（活性層形成部２）との界面に、図６に示すように、多数の溝にて、第２の凹凸２１を形成することが望ましい。
すなわち、透明電極である第１の電極３の下面には凹凸が形成されている。第１の電極３と活性層形成部２との界面に、上記第２の凹凸２１を形成することで、第２の凹凸２１の側辺の角度により、光の入射角が臨界角以下となる。この結果、この第１の電極３と活性層形成部２との界面にて、光が反射することを抑制し、半導体発光素子の外部に活性層７が放射した光を効率的に取り出すことができる。
ここで、第２の凹凸２１は、第１の凹凸２０のように、より多くの光を反射させることが目的ではなく、より多くの光に対して、第１の電極３と活性層形成部２との界面に達する光の入射角が臨界角以内となるように配置されことが重要である。このため、第２の凹凸２１の半球状の凹凸、例えば第２の溝２１の凹部と隣接する凹部との幅は第１の凹凸２０に比較して小さく、すなわち凹凸の繰り返しは細かい間隔にて形成され、細かく高い密度にて形成されることが必要である。

また、第１の電極３に形成される第２の凹凸２１は、図５に示すように、第１の電極３の下面のみに凹凸を形成しても良い。
また、逆に第１の電極３の上面だけに第２の凹凸２１を形成しても良いし、さらに、第１の電極３の上面及び下面の双方に第２の凹凸２１を形成しても良い。
上述した構成とすることにより、図５の（iii）で示すように、空洞部１１と活性層形成部２との界面Ｒにて、下方に進行する光を反射させ、進行する方向が変えた光のうち、一部は孔１０の側壁にて反射し、さらに進行方向を変え、第１の電極３と活性層形成部２との界面に達する。

そして、第１の電極３と活性層形成部２との界面に第２の凹凸２１が設けられていることにより、この界面に入射する光の入射角が臨界角以内の光が増加し、より多くの臨界角以内の光が半導体発光素子の外へ出ることができる。
第２の凹凸２１は図３で示す空洞部１１のように、パッド電極９近傍を、半導体発光素子の側方（外郭側）に比較して密に配置することにより、孔１０の側壁にて反射する光が増加し、パッド電極９直下で遮られる光を抑制する事ができる。
さらに、空洞部１１も図３と同様の位置に配置されていると、パッド電極１０直下から下方に進行する光が、空洞部１０と活性層形成部２との界面Ｒにて反射し、そして光が第２の凹凸２１にて反射せず入射するので、従来例に比較して、より光を取り出す効率を向上させることができる，

なお、図１は図４におけるＡ−Ａにて切断した断面図であるが、一方、図４のＢ−Ｂにて切断した断面図を図７に示す。この図７のように、図４のＢ−Ｂにおける断面構造は、孔１０が形成されていない構造となる。

次に、図５及び図６を参照し、本実施形態による半導体発光素子の製造方法を説明する。導電性基板１の主面１ａ上に、周知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって、バッファ層１２、第１のクラッド層５、活性層７、第２のクラッド層６を形成する。バッファ層１２のうち、第１のバッファ層を形成する場合には、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）とアンモニアを反応室の中にそれぞれ決められた割合で流し込み、所定の厚みを有するＡｌＮ層を形成する。バッファ層１２のうち、第２のバッファ層を形成する場合には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアをそれぞれ決められた割合で流し込み、所定の厚みを有するＧａＮ層を形成する。

続いて、バッファ層１２の上に第１のクラッド層５、活性層７、第２のクラッド層６を順次積層する。さらに、第２のクラッド層６の全面上に、第２のクラッド層６と低抵抗（オーミック）接触するＩＴＯ（第１の電極３）とパッド電極９とを、真空蒸着法、スパッタリング法、又はＣＶＤ法等により堆積して第１の電極３を形成した後、アニール処理する（図８（ａ））。ここで、第１の電極３を形成した後に、パッド電極９となる金属膜を蒸着し、その後、アニール処理を行う。

続いて、凹部１１ａを形成する準備段階として、凹部１１ａの中心に相当する領域に開口部が形成されるように、ＳｉＯ_２からなる酸化膜４１を、パッド電極９となる層上に選択的に形成する（図８（ｂ））。この酸化膜４１をエッチングマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってドライエッチングを行う。これによって、パッド電極９，第１の電極３、活性層形成部２、及びバッファ層１２を貫通して導電性基板１の主面１ａに達し、断面形状がＵ字状の孔１０が形成される。孔１０の幅は２００ｎｍ〜１００μｍであり、より好ましくは１〜３μｍである。孔１０の底には、導電性基板１の表面が露出している（図８（ｃ））。

そして、上記酸化膜４１を除去し、エッチングによりパッド電極９を所定の形状（本実施形態においては素子の中央）に形成する。さらに、ＳｉＯ_２からなる酸化膜４２を選択的に形成する。これによって、孔１０の底面、すなわち導電性基板１の表面は露出した状態で、孔１０の側面及び露出されているパッド電極９，第１の電極３は酸化膜４２によって被覆される（図８（ｄ））。続いて、導電性基板１をエッチング可能なエッチング液（例えば、導電性基板１がシリコン基板の場合、フッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ_３）の混合液）を用いて、孔１０の形成により露出した導電性基板１の表面をエッチングする。これによって、孔１０の形成により導電性基板１の露出した部分を中心として、導電性基板１の内部にほぼ等方向に広がる凹部１１ａが形成される。凹部１１ａは活性層形成部２の直下の領域にも形成される（図８（ｅ））。これにより、孔１０と空洞部１１とが連続して形成され、活性層形成部２の下面と空洞部１１との界面Ｒが形成される。

次に、バッファ層１２（バッファ層１２を設けない場合には、活性層形成部２。以下同じ）の表面のうち、空洞部１１と接する領域であって凹部１１ａと対向する領域（凹部１１ａが形成されたことによって露出したバッファ層１２の下面）に多数の凹凸１４（第１の凹凸２０）が形成されている結果、空洞部１１の上面（バッファ層１２と接する面）は、多数の凹凸１４を有する租面となっている。活性層形成部２の下面における界面Ｒが平坦である場合、活性層形成部２から発せられて下方向に向かう光は、空洞部１１（空気）に対する入射角度が臨界角よりも大きくなければ、反射しない。しかし、本実施形態による半導体発光素子では、活性層形成部２の下面に多数の凹凸１４が形成されているので、偏光によって反射する光が増加し、光取り出し効率を向上することができる。

多数の凹凸１４の形成方法としては、界面Ｒが形成された後、リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）若しくは水酸化カリウム（ＫＯＨ）の溶液をエッチング液として約７０℃に温めてエッチングする。上記エッチング液に対する、酸化膜４２を構成するＳｉＯ_２のエッチング速度が、バッファ層１２（バッファ層１２を設けない場合には、発光層２）を構成するIII−Ｖ族化合物半導体よりも遅いので、酸化膜４２はエッチングされないが、凹部１１ａを形成することによって露出したIII−Ｖ族化合物半導体層（バッファ層１２または活性層形成部２）の表面に多数の凹凸１４が形成される（図８（ｆ））。
そして、パッド電極９上部の酸化膜４２を除去することにより、本実施形態の半導体発光素子が形成されることとなる。

また、上述した構成において、第１の電極３及び第２クラッド層６との界面に、第２の凹凸２１を形成する場合、図８（ａ）において、第２のクラッド層６としてIII−Ｖ族化合物半導体層の膜を形成する。そして、第２のクラッド層６上面に、ポロスチレンとポリメタクリル酸メチルが結合した高分子を第２の凹凸２１の高さに対応した厚さに塗布し、所定の温度（例えば、２５０℃程度）にて加熱する。
そして、 酸素プラズマにて上記ポリメタクリル酸メチルをエッチングすると、自己組織化したポリスチレン固化領域が斑点状に残る。
上記ポリスチレン固化領域をマスクとして、露出された第２のクラッド層６を所定の深さにエッチングすることにより、細かな凹凸が上面に形成された第２のクラッド層６を形成する。そして、この第２の凹凸を有する第２のクラッド層６上面に、第１の電極３の膜を形成する。

本発明では、空洞部１１と活性層形成部２との界面Ｒに第１の凹凸２０を形成することにより、光の進行する角度を変換して、第１の電極３と活性層形成部２との界面に対して、臨界角範囲内の入射角の光の量を増加させる。これにより、第１の電極３と活性層形成部２との界面にて反射する光の量を抑制して、半導体発光素子の外部に出射される光の量を増加させることができ、活性層７の放射した光をより効果的に取り出しやすくなる。
すなわち、第１の実施形態によれば、発光効率を、従来例に比較して向上させることができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態による半導体発光素子の構造を図９を用いて説明する。図９は第２の実施形態による半導体発光素子の断面構造を示す概念図である。第１の実施形態と同様な構成については、同一の符号を付して説明を省略する。パッド電極９直下の導電性基板１の領域と保護素子を形成している領域以外は、第１の実施形態における構造と同様である。平面構造としては、パッド電極９により保護素子形成領域１００が覆われているため、図２〜図４と同様となる。
本実施形態は、半導体発光素子と、これを保護するための保護素子とを組み合わせた複合半導体装置に関する。化合物系半導体を活性層形成部２に使用した発光素子は、静電破壊耐量が比較的小さいため、例えば１００Ｖよりも高いサージ電圧が印加されると、破壊に至ることがある。そこで、半導体発光素子の静電保護のため、発光素子と共にダイオードやコンデンサ等の保護素子を同一パッケージ内に搭載することが考えられる。

図９において、導電性基板１には、第１の導電型の不純物（ｐ型半導体とする不純物）がドープされている。
活性層形成部２から、導電性基板１が露出するように、凹部３０が形成されている。凹部３０によって露出した導電性基板１の上面に、導電性基板１と異なる第２の導電型の不純物（ｎ型半導体とする不純物）を注入（ドープ）し、導電性基板１と異なる導電型の不純物の領域として半導体領域（不純物拡散層）４０が形成されている。
この複合半導体装置は、発光素子としての発光ダイオードと、保護素子としてのショットキーバリアダイオードで構成される。図９において、導電性基板１の発光素子形成領域２００における活性層形成部２と第１の電極３と第２の電極４とからなる部分を発光素子部又は発光素子と呼び、一方、保護素子形成領域１００における導電性基板１の半導体領域４０と導電性基板１との接合にて形成されるｐｎダイオードを保護素子と呼ぶことができる。

ここで、導電性基板１は、発光素子及び保護素子の電流通路として機能する。すなわち、導電性基板１の中央の半導体領域４０はｐｎダイオードの本体部としても機能すると共に、この電流通路として機能し、また導電性基板１の半導体領域４０を囲む発光素子が形成された導電性基板１の発光素子形成領域２００は発光素子の電流通路として機能する。

また、凹部３０の側面に形成された絶縁膜４２により、上記半導体領域４０に対してコンタクトを形成する第１の電極３の第２の部分３ａが、活性層形成部２に電気的に接続されないように絶縁膜５０にて絶縁し、凹部３０の底面の一部がコンタクト領域として絶縁膜５０の底が開口され、すなわち、半導体領域の上面の少なくとも一部が露出するようにコンタクト孔が形成され、第１の電極３の第２の部分３ａが半導体領域４０に電気的に接続されている。
ここで、半導体領域４０の露出部と、第１の電極３の第２の部分３ａとは低抵抗（オーミック）接続されている。
そして、第１の電極３の第２の部分３ａと、第１の電極３の第１の部分３ｂ（第１の実施形態の第１の電極３に対応）とを電気的に接続させるため、絶縁膜５０よりも平面視において、外側に大きく第１の電極の第２の部分３ａを形成している。

なお、図１における第１の電極３が図９の第１の電極３の第１の部分３ｂに相当する。
また、第３の凹部３０の内側にパッド電極９を形成する。この第２の実施形態における半導体発光素子の構造は、導電性基板１と半導体領域４０とにおけるｐｎ接合により、発光素子の静電耐量を向上させる保護素子形成領域１００を、パッド電極９直下に形成することである。さらに、パッド電極９から周囲に外側に向かって、光の進行方向を変える孔１０及び空洞部１１とを、発光素子形成領域２００における活性層形成部２に対して蜂の巣状に形成し、素子の中央に保護素子形成領域１００を有する複合半導体装置の構造である。
ここで、第２の実施形態における半導体発光素子を形成する際、孔１０と第３の凹部３０とを同時に形成しても良い。

また、導電性基板１と半導体領域４０とにより、保護素子であるｐｎ接合を形成するのではなく、すなわち半導体領域４０を形成せずに、導電性基板１にショットキー接合となるショットキー電極を、図９にて第１の電極の第２の部分３ａとのコンタクトがとられている導電性基板１の領域において、第１の電極の第２の部分３ａと導電性基板１との間に介挿して形成しても良い。
上記導電性基板１とショットキー接合を形成する上記ショットキー電極、すなわちショットキー接触金属層は、例えばチタン（Ｔi），白金（Ｐt），クロム（Ｃr），アルミニウム（Ａl），サマリウム（Ｓm），白金シリサイド（ＰtＳi）、パラジウムシリサイド（Ｐd_２Ｓi）等からなり、絶縁膜５０に形成されたコンタクト孔を介して導電性基板１の表面にショットキー接触している。上述したように、保護素子としてのショットキーバリアダイオードは、導電性基板１とショットキー電極とによって形成される。

ボンディングパッド９は、平面的に見て第１の電極の第２の部分３ａの内側において、活性層形成部２の表面積よりも小さい表面積を有するように形成され、かつアルミニウム（Ａl）又は金（Ａu）等からなる外部接続用ワイヤを結合することができる金属からなり、第１の電極の第２の部分３ａと接続されるともに、この第１の電極の第２の部分３ａを介し、半導体領域４０（あるいはショットキー電極）にも接続されている。また、パッド電極（ボンディングパッド）９は、第１の電極の第１の部分３ｂと、第１の電極の第２の部分３ａを介して接続されている。
パッド電極９は、平面視にて、すなわち導電性基板１の主面１ａに対して垂直な方向から見て、活性層形成部２の少なくとも内側一部と保護素子形成領域１００の少なくとも一部を覆い、かつ活性層形成部２の少なくとも外側一部を覆わないように配置され、かつ第３の電極の第１の部分３ａとショットキー電極とを電気的に接続するように形成されている。

保護素子形成領域１００は、平面的に見て、パッド電極９の内側に配置されている。保護素子形成領域２４が、平面視においてパッド９の外側にはみ出ても、保護素子の機能が低下することはない。
また、第２の電極４は金属層からなり、第１の実施形態と同様に、導電性基板１の主面１ｂの全面に形成されている。すなわち、第２の電極４は導電性基板１の保護素子形成領域１００及び発光素子形成領域２００の両方の下面にオーミック接触している。

パッド電極９は、発光素子の外部接続電極としての機能の他に、ｐｎ接合ダイオードの半導体領域４０（またはショットキーバリアダイオードのショットキー電極）を発光素子に接続する機能を有する。第２の電極４は、発光素子と保護素子の両方の電極として機能する。従って、図９に示す複合半導体装置は、図１０に示す発光素子としての発光ダイオード６１と、保護素子としてのショットキーバリアダイオード６２との逆並列接続回路として機能する。
ショットキーバリアダイオード６２は、発光ダイオード６１に所定値以上の逆方向の過電圧（例えばサージ電圧）が印加されたときに導通する。これにより、発光ダイオード６１の電圧はショットキーバリアダイオード６２の順方向電圧に制限され、発光ダイオード６１が、静電気等に基づく逆方向の過電圧から保護される。

ショットキーバリアダイオード６２の順方向の導通開始電圧は発光ダイオード６１の許容最大逆方向電圧以下に設定される。すなわち、ショットキーバリアダイオード６２の順方向の導通開始電圧は、発光ダイオード６１が破壊される恐れのある電圧よりも低い値に設定される。なお、ショットキーバリアダイオード６２の順方向の導通開始電圧は、正常時に発光ダイオード６１に印加される逆方向の電圧よりも高く、かつ発光ダイオード６１が破壊される恐れのある電圧よりも低いことが望ましい。
上述した構成により、第２の実施形態による半導体発光素子は、第１の実施形態の効果に加えて光取り出し面積の低減を抑制し、素子の静電耐性を向上させる保護素子を形成することができ、保護素子内蔵の発光素子（複合半導体装置）の小型化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の断面構造を示す概念図である（図４のＡ−Ａでの線視断面）。 本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の平面構造を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の他の平面構造を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の他の平面構造を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態（あるいは第２の実施形態）による領域Ｓの活性層形成部２及び空洞部１１の詳細な断面構造を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の第２の凹凸２１の配置を示す平面構造の概念図である。 本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の断面構造を示す概念図である（図４のＢ−Ｂでの線視断面）。 本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。 本発明の第２の実施形態による複合半導体素子の断面構造を示す概念図である。 本発明の第２の実施形態による複合半導体素子の等価回路の構成を示す概念図である。

符号の説明

１…導電性基板
１ａ，１ｂ…主面
２…活性層形成部
３…第１の電極
３ａ…第１の電極の第２の部分
３ｂ…第１の電極の第１の部分
４…第２の電極
５…第１クラッド層
６…第２クラッド層
７…活性層
９…パッド電極
１０…孔
１１…空洞部
１１ａ…凹部
２０…第１の凹凸
２１…第２の凹凸
３０…凹部
４０…半導体領域
４２…酸化膜
１００…保護素子形成領域
２００…発光素子形成領域

Claims (8)

1. 基板と、
   該基板と異なる材料の化合物半導体の材料にて、基板の一方の主面に形成された活性層を含む活性層形成部と、
   該活性層形成部の上面から活性層を貫通する複数の孔と、
   該孔の位置に対応して前記活性層と基板との間に設けられ、平面視において前記孔に比較して面積が大きい空洞部と
   を有し、
   前記活性層形成部の下部に前記空洞部が延伸して形成され、平面視において、空洞部の領域と重なる、延伸した活性層形成部の下部が露出されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記空洞部が前記孔から連続して形成されたものであり、平面視において活性層形成部の上面に設けられたパッド電極から離れる方向の隣り合う空洞部同士が互いに接して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記基板が前記活性層から出射される光に対して非透過性であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記活性層形成部の上面に設けられたパッド電極をさらに有し、
   平面視において、素子の外周領域に比較し、前記パッド領域近傍にて空洞部がより密に形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記基板がシリコン系基板であり、前記活性層形成部が窒化物系化合物半導体から形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. 前記活性層形成部の露出された下部に多数の第１の凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体発光素子。
7. 前記活性層形成部の上面に形成された透明電極をさらに有し、
   該透明電極の上部に前記第１の凹凸に比較して、平面視において凹部と凸部との幅の小さな多数の第２の凹凸が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
8. 前記パッド電極が平面視にて素子中央に形成され、該パッド電極の下部に素子を高圧から保護する保護素子が形成され、該保護素子の周囲に前記活性層形成部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体発光素子。

Images