JP5391425B2

JP5391425B2 - 半導体発光装置

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Publication number: JP5391425B2
Application number: JP2010026386A
Authority: JP
Inventors: 拓也風間
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: US8040463B2; JP2011165853A; US20110193120A1

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の半導体発光装置に関し、特に半導体発光装置の電極構造に関する。

従来技術

従来、ＬＥＤの電極構造として以下のようなものがあった。すなわち、特許文献１には、発光層を含む半導体層と導電性支持基板との間に導電性反射膜を形成し、導電性反射膜上に周期的に配列された島状のコンタクト用合金層を設けた半導体発光装置が開示されている。かかる構成とすることにより、半導体層と導電性反射膜との界面に低抵抗で接触するオーミック性接触領域と、光学的な反射率が高い高光学的反射領域とが周期的に繰り返される構造とすることができる旨が記載されている。

一方、特許文献２には、半導体層とＳｉ支持基板との間に形成された反射膜上に複数のオーミックコンタクト電極を備え、該オーミックコンタクト電極の各々は、光取り出し面側に設けられた表面電極からの距離が等しくなるように配置されていることが記載されている。かかる構造とすることにより、各オーミックコンタクト電極に均一に電流を注入することができ、電流集中および順方向電圧の上昇を抑えることができる旨が記載されている。

特開２００２−２１７４５０号公報特開２００８−２８２８５１号公報

ＬＥＤの発光効率は発光層に注入する電流密度に依存する。すなわち、電流密度が高くなると発光層に注入されたキャリアがオーバフローするため、発光に寄与するキャリアが減少し、発光効率が減少する。更に、局所的な電流集中は、電界集中や発熱を引き起こし、結晶欠陥を増殖させる原因となり、信頼性に影響を与えることになる。

特許文献１に記載された電極構造の場合、導電性反射膜上に分散配置された島状電極の各々から光取り出し面側に設けられた表面電極までの距離が均一とはならないため、電極間距離が最短となる経路に電流が集中し、発光分布に偏りが生じてしまう。

特許文献２に記載された電極構造の場合、表面電極から各オーミックコンタクト電極までの距離は互いに等しいので、電流密度分布の偏りを防止できるようにも思える。しかしながら、両電極間に生じる抵抗成分に僅かな差があると、抵抗の低い部分に電流が集中し、発光分布が不均一になるとともに信頼性にも影響を及ぼす結果となる。両電極間の抵抗成分の差は、例えば、製造プロセスにおいて生じる電極の位置ずれ、反射面上に分散配置されたオーミックコンタクト電極のサイズの差、電極と半導体膜との接触抵抗の差などに起因して生じることが考えられ、これらの要因を完全に排除することは非常に困難である。

一方、半導体膜の膜厚を厚くすることにより半導体膜の抵抗を下げることで電流拡散を促進させ、均一な電流密度分布を得る方法がある。しかし、半導体膜を厚くすると半導体膜内での光の吸収量が増加するため発光効率の低下を招き、更に製造時間や材料費が増加するため製造コストも増加する。

また、電極の面積を増やすことにより均一な電流密度分布を得ることはできるが、光取り出し面側の電極の面積を増大すれば、光取り出し効率を低下させることになる。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、光取り出し面側の電極の面積の増加や半導体膜の厚さの増加を伴うことなく、局所的な電流集中を防止して均一な発光分布を得ることができる半導体発光装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体発光装置は、支持基板と、前記支持基板上に設けられた光反射性を有する反射電極と、前記反射電極上に設けられた発光層を含むAlGaInP系半導体膜と、前記半導体膜上に設けられた表面電極と、を含む半導体発光装置であって、前記表面電極は、前記半導体膜上に分散配置され且つ前記半導体膜との間でオーミック性接触を形成する複数の電極片からなるオーミック電極を含み、前記反射電極は、前記オーミック電極を構成する電極片の各々を挟んだ両側において前記電極片に沿うように設けられた線状のライン電極および複数の島状のドット電極からなり、前記ライン電極と前記ドット電極との間の距離をａ、前記オーミック電極と前記ドット電極を前記半導体膜の主面と平行な同一平面に投影した場合におけるこれらの電極間の距離をｂ、互いに隣接するドット電極間の距離をｃとしたときに、
ｂ＞ａ且つ０．８（ａ^２＋２ａｂ）^１／２＜ｃ＜２．４（ａ^２＋２ａｂ）^１／２
を満たすように前記表面電極および前記反射電極が配設され、前記半導体膜の厚さが６μｍ以下であることを特徴としている。

本発明に係る半導体発光装置によれば、光取り出し面側の電極の面積の増加や半導体膜の厚さの増加を伴うことなく、局所的な電流集中を防止して均一な発光分布を得ることが可能となる。

本発明の実施例に係る半導体発光装置の電極構成を示す平面図である。図１における２−２線に沿った断面図である。図１における３−３線に沿った断面図である。（ａ）は、本発明の実施例に係る表面電極の構成を示す平面図である。（ｂ）は、本発明の実施例に係る反射電極の構成を示す平面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置の各電極の配置を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置の製造方法を示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例に係る半導体発光装置の製造方法を示す断面図である。（ａ）および（ｂ）は、比較例に係る半導体発光装置の電極構成を示す平面図である。電流密度分布のシミュレーション結果を示す図である。電流密度分布のシミュレーション結果を示す図である。発光分布の測定結果を示す図である。電流−光出力特性の測定結果を示す図である。光出力が飽和するときの電流を示した図である。順方向電圧の測定結果を示した図である。本発明の実施例２に係る半導体発光装置の電極構成を示す平面図である。

［実施例１］
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、以下に示す図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。

図１は、本発明の実施例１に係る半導体発光装置１の電極構成を示す平面図、図２および図３は、それぞれ図１における２−２線および３−３線に沿った断面図である。

半導体発光装置１は、半導体膜１０と支持基板３０とを反射電極層２０を介して接合するいわゆる貼り合わせ構造を有する。半導体膜１０は、光取り出し面側から順にｎ型クラッド層１１、発光層１２、ｐ型クラッド層１３、ｐ型コンタクト層１４が積層されて構成され、全体の厚さは例えば６μｍである。ｎ型クラッド層１１は、例えば（Al_0.7Ga_0.3）_0.5In_0.5Pからなり、層厚は３μｍである。発光層１２は、例えば多重量子井戸構造を有し、（Al_0.1Ga_0.9）_0.5In_0.5Pからなる層厚２０ｎｍ程度の井戸層と（Al_0.56Ga_0.44）_0.5In_0.5Pからなる層厚１０ｎｍ程度のバリア層とが交互に１５回繰り返して積層されている。ｐ型クラッド層１３は、例えば（Al_0.7Ga_0.3）_0.5In_0.5Pからなり、層厚は１μｍである。ｐ型コンタクト層１４は、例えばGa_0.9In_0.1Pからなり、層厚は１．５μｍである。

ｐ型コンタクト層１４に隣接して反射電極層２０が設けられている。反射電極層２０は、誘電体層２２と反射電極２１とにより構成される。誘電体層２２は、例えばＳｉＯ_２からなり、ｐ型コンタクト層１４との界面近傍に形成されている。反射電極２１は、例えばＡｕＺｎからなり、誘電体層２２の開口部においてｐ型電流拡散１４と接触している。反射電極２１とｐ型コンタクト層１４との接触は、オーミック性接触となっている。誘電体層２０および反射電極２１からなる反射電極層２０は、半導体膜１０との界面において発光層１２から放射された光を光取り出し面側に向けて反射する光反射面を形成するとともに、半導体膜１０に電流を供給するための電極としても機能する。誘電体層２２は、ｐ型コンタクト層１４との界面近傍において反射電極２１を線状の反射面側ライン電極（以下単にライン電極ともいう）２１ａと、島状の反射面側ドット電極（以下単にドット電極ともいう）２１ｂとに隔てている。ライン電極２１ａとドット電極２１ｂは、誘電体層２２の下部で繋がっており電気的に接続されている。ライン電極２１ａおよびドット電極２１ｂの詳細な構成については後述する。尚、誘電体層２２の材料としては、ＳｉＯ_２以外にもＳｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等の他の透明な誘電体材料を用いることができる。また、反射電極２１の材料は、ＡｕＺｎに限定されず、ｐ型コンタクト層１４との間でオーミック性接触を形成することができ、高い光反射性を有する他の材料を用いることが好ましい。

反射電極層２０上にはバリアメタル層２６および接合層２７が設けられる。バリアメタル層２６は、例えばＴａ、Ｔｉ、Ｗ等の高融点金属もしくはこれらの窒化物を含む単層又は２以上の層により構成することができる。バリアメタル層２６は、反射電極２１に含まれるＺｎが外方拡散するのを防止するとともに、接合層３３に含まれる共晶接合材（例えばＡｕＳｎ）が反射電極２１内に拡散するのを防止する。接合層２７は、例えばＮｉとＡｕの積層膜からなり、接合層３３に含まれる共晶接合材に対する濡れ性を向上させる機能を有する。これにより、支持基板３０と半導体膜１０との接合を良好に行うことができる。

支持基板３０は、例えばｐ型不純物を高濃度で添加することにより導電性が付与されたSi基板である。支持基板３０の両面には、例えばＰｔからなるオーミック金属層３１および３２が形成され、接合層３３を介して反射電極層２０に接合される。接合層３３は、例えば支持基板３０に近い側からＴｉ、Ｎｉ、ＡｕＳｎを順次形成した積層構造を有している。尚、支持基板３０の材料としては、Ｓｉ以外にもＧｅ、Ａｌ、Ｃｕ等の他の導電性材料を用いることができる。

光取り出し面となるｎ型クラッド層１１の表面には、表面電極を構成する光取り出し面側ショットキー電極（以下単にショットキー電極ともいう）４１および光取り出し面側オーミック電極（以下単にオーミック電極ともいう）４３が形成されている。ショットキー電極４１は、ボンディングパッドを構成しており、ｎ型クラッド層１１との間でショットキー接触を形成し得る材料、例えばＴａ、Ｔｉ、Ｗ又はこれらの合金から構成することができる。また、金属材料のみならず、ＳｉＯ_２などの絶縁誘電体から構成することができる。ショットキー電極４１の最表面には、ワイヤボンディング性および導電性を向上させるためにAu層が形成されていてもよい。オーミック電極４３は、ｎ型クラッド層１１との間でオーミック性接触を形成し得る材料、例えばＡｕＧｅＮｉ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｎＮｉ等からなる。ショットキー電極４１とオーミック電極４３は、両電極間を繋ぐ接続配線４２により電気的に接続される。接続配線４２は、ショットキー電極４１と同一の材料からなり、ｎ型クラッド層１１との間でショットキー接触を形成する。ショットキー電極４１は、ｎ型クラッド層１１に対してショットキー接触を形成しているため、ショットキー電極４１直下の半導体膜１０には電流が流れないようになっている。すなわち、電流は、光取り出し面側オーミック電極４３と光反射面側のライン電極２１ａおよびドット電極２１ｂとの間を流れることになる。図２および図３において、半導体膜１０を流れる電流経路が矢印で表示されている。ショットキー電極４１およびオーミック電極４３の詳細な構成については後述する。

光取り出し面および光反射面側に設けられた各電極の構成について以下に詳細に説明する。

図４（ａ）は、理解を容易にするために、半導体発光装置１の光取り出し面側に設けられた表面電極を構成するショットキー電極４１およびオーミック電極４３のみを示した図である。半導体発光装置１は、例えば１辺３１０μｍの正方形をなしている。ショットキー電極４１は、例えば直径１００μｍの円形をなしており、光取り出し面の中央に配置されている。ショットキー電極４１には、半導体発光装置１の各コーナ部に向けて伸びる幅５μｍの線状の接続配線４２が接続している。４本の接続配線４２の各々には、これらと交差するように幅５μの線状のオーミック電極４３が設けられている。オーミック電極４３は、４本の接続配線４２の各々に沿って半導体発光装置１のコーナ部付近と、コーナ部からやや中央部寄りに分散配置された８つの電極片４３ａ〜４３ｈにより構成されている。ショットキー電極４１およびオーミック電極４３からなる表面電極は、半導体発光装置１の中心点を回転中心としたときに、４回回転対称（９０°回転すると重なる）となるようにパターニングされている。分散配置されたオーミック電極４３の各電極片４３ａ〜４３ｈは、接続配線４２を介してショットキー電極４１と電気的に接続されている。かかる表面電極の構成によれば、光取り出し面においてオーミック電極４３が占める割合（被覆率）は、４．８％となり、従来の一般的な電極構成と比較して大幅に低減されている。光取り出し面側において電極の被覆率を低減させることにより、光取り出し効率を向上させることが可能となる。

図４（ｂ）は、理解を容易にするために、光反射面側に設けられたライン電極２１ａおよびドット電極２１ｂのみを示した図である。ライン電極２１ａは、幅５μｍの線状をなしており、光取り出し面側ショットキー電極４１の外縁を囲むように形成された円形状の第１の部分２１ａ_１と、第１の部分２１ａ_１に接続し、半導体発光装置１の各辺に向けて伸長する略十字型の第２の部分２１ａ_２と、第２の部分２１ａ_２に接続し、半導体発光装置１の外縁に沿って伸長する第３の部分２１ａ_３と、半導体発光装置１の各コーナ部近傍に設けられ、各コーナ部を挟む２つの辺を跨ぐようにして第３の部分２１ａ_３に接続する第４の部分２１ａ_４により構成される。ライン電極２１ａは、各構成部分２１ａ_１〜２１ａ_４が他の構成部分を介して相互に接続されており、連続的な形態をなしている。ドット電極２１ｂは、例えば直径５μｍの円形をなしており、複数のドット電極２１ｂがライン電極２１ａの各構成部分に沿うように分散配置されている。このように、反射面側にドット電極２１ｂを分散配置することで半導体膜１０の厚さが薄い場合でも電流拡散が促進され、更にライン電極２１ａを併せて設けることにより、ドット電極２１ｂへの電流集中を防止している。本実施例においては、ライン電極２１ａおよびドット電極２１ｂからなる反射電極２１は、半導体発光装置１の中心点を回転中心としたときに４回回転対称となるようにパターニングされている。かかる光反射面側の電極構成によれば、反射電極層２０と半導体層１０との界面において、ライン電極２１ａおよびドット電極２１ｂの面積が占める割合（被覆率）は、１７．４％となり、光取り出し面側オーミック電極４３の被覆率の３倍以上となる。光反射面側の電極の被服率が大きくなると、光反射面の反射率が低下するが、本実施例の電極構成によれば、光取り出し面側オーミック電極４３の被覆率が十分に小さいため、従来と比較して光取り出し効率は低下しない。

図１において、半導体発光装置１の光取り出し面側ショットキー電極４１および光取り出し面側オーミック電極４３と、反射面側ライン電極２１ａおよび反射面側ドット電極２１ｂは、同一平面上に示されている。光取り出し面側オーミック電極４３を構成する８つの電極片４３ａ〜４３ｈを挟んだ両側に当該電極片に沿うように反射面側ライン電極２１ａおよび反射面側ドット電極２１ｂが配置される。換言すれば、反射面側ライン電極２１ａは、光取り出し面側オーミック電極４３の各電極片４３ａ〜４３ｈを囲むように形成され、各電極片４３ａ〜４３ｈは、反射面側ライン電極２１ａによって囲まれた領域の中央に配置されている。光取り出し面側オーミック電極４３と、反射面側ライン電極２１ａおよび反射面側ドット電極２１ｂは、半導体膜１０の厚み方向において互いに重ならないように配置され、いわゆるカウンタ電極を構成している。かかる電極構成とすることで、光取り出し面側オーミック電極４３の面積を小さくしても、半導体層１０内に広く電流を拡散させることが可能となる。従って、光取り出し面における電極の被覆率を低減することができ、光取り出し効率を向上させることが可能となる。また、かかる電極構成とすることで、光取り出し面側と反射面側の電極間の距離を短くすることができるので、順方向電圧Ｖ_Ｆを小さくすることが可能となる。また、本実施例では、光取り出し面側の電極と反射面側の電極を含めた全体の電極形状が、半導体発光装置１の中心点を回転中心としたときに４回回転対称となるようにパターン形成されている。これにより、本実施例に係る半導体発光装置１とレンズ等とを組み合わせて照明装置を構成した場合に、等方的な配光を得ることができる。

次に、半導体膜１０の厚みを増加させることなく均一な電流密度分布を得るために必要とされる光取り出し面側オーミック電極４３、反射面側ライン電極２１ａおよび反射面側ドット電極２１ｂの相対的な配置について図５を参照して説明する。均一な電流密度分布を得るためには、以下に示す３つの条件を満たす必要がある。図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ条件１〜条件３を説明するための図であって、図１に示された光取り出し面側オーミック電極４３、反射面側ライン電極２１ａおよび反射面側ドット電極２１ｂの一部を抽出したものである。図５において、光取り出し面側オーミック電極４３と、反射面側ライン電極２１ａおよび反射面側ドット電極２１ｂとが同一平面上に示されている。

（条件１）
図５（ａ）に示すように、反射面側ライン電極２１ａと反射面側ドット電極２１ｂとの間の距離をａとし、光取り出し面側オーミック電極４３と反射面側ドット電極２１ｂとの水平距離をｂとしたときに、
ｂ＞ａ・・・（１）
となるように、各電極を配置する。式（１）は、
ｂ＞（ａ＋ｂ）／２・・・（１）´
と変形することができる。これは、光取り出し面側オーミック電極４３と反射面側ライン電極２１ａの中間点よりも反射面側ライン電極２１ａ寄りに反射面側ドット電極２１ｂを配置することを意味している。水平距離とは、光取り出し面側オーミック電極４３と反射面側のライン電極２１ａおよび反射面側ドット電極２１ｂを半導体膜１０の主面と平行な同一平面に投影した場合における距離を意味しており、半導体膜１０の厚みを考慮した実際の距離を意味するものではない。このような電極配置とすることで、反射面側ドット電極２１ｂと反射面側ライン電極２１ａとの間の抵抗を反射面側ドット電極２１ｂと光取り出し面側オーミック電極４３との間の抵抗よりも小さくすることができる。その結果、光取り出し面側オーミック電極４３から供給される電流は、反射面側ライン電極２１ａにも分散されやすくなり、反射面側ドット電極２１ｂのみに電流が集中するのを防止できる。

（条件２）
図５（ｂ）に示すように、互いに隣接する２つの反射面側ドット電極２１ｂ_１と２１ｂ_２との間の距離をｃとし、光取り出し面側オーミック電極４３と反射面側ライン電極２１ａとの間の距離をＸ（＝ａ＋ｂ）とし、反射面側ドット電極２１ｂ_１から光取り出し面側オーミック電極４３に向けて引いた垂線と光取り出し面側オーミック電極４３との交点をＰとする。そして、交点Ｐと反射面側ドット電極２１ｂ_２との間の距離をＹとしたときに、
Ｘ＜Ｙ・・・（２）
となるように各電極を配置する。式（２）は、
ｃ＞（ａ^２＋２ａｂ）^１／２・・・（２）´
と表すことができる。このような電極配置とすることで、反射面側ドット電極２１ｂ_１が一定の電流密度に達した状態から、更に電流を増大させた場合に、電流は、隣の反射面側ドット電極２１ｂ_２ではなく、反射面側ライン電極２１ａに向けて流れるようになる。つまり、比較的大きい電流を流す場合に、反射面側ドット電極２１ｂに電流が集中するのを防止することができる。

（条件３）
図５（ｃ）に示すように、互いに隣接する２つの反射面側ドット電極２１ｂ_１と２１ｂ_２との中間点から光取り出し面側オーミック電極４３に向けて引いた垂線と光取り出し面側オーミック電極４３との交点Ｑとする。そして、交点Ｑと反射面側ドット電極２１ｂ_１又は２１ｂ_２との距離をＺとしたときに、
Ｘ＞Ｚ・・・（３）
となるように各電極を配置する。式（３）は、
ｃ＜２（ａ^２＋２ａｂ）^１／２・・・（３）´
と表すことができる。このような電極配置とすることで、光取り出し面側オーミック電極４３上の点Ｑからの電流は、反射面側ライン電極２１ａではなく反射面側ドット電極２１ｂ_１および２１ｂ_２に向けて流れるようになり、反射面側ライン電極２１ａに電流が集中するのを防止することができる。

上記した条件１〜３をまとめると、半導体膜１０内において均一な電流密度分布を得るためには、
ｂ＞ａかつ（ａ^２＋２ａｂ）^１／２＜ｃ＜２（ａ^２＋２ａｂ）^１／２・・・（４）
を満たす必要がある。ただし、チップサイズ等の制約によっては、式（４）を完全に満たすように各電極を配置することが困難な場合もある。従って、式（４）に示される電極配置の条件は、電極配置を決める上での指針として用いればよく、例えば、互いに隣接するドット電極間の距離ｃの範囲は、式（４）に示される範囲からプラスマイナス２０％程度のずれが生じたとしても、電流密度分布の均一性が著しく損われることはない。すなわち、
ｂ＞ａかつ０．８（ａ^２＋２ａｂ）^１／２＜ｃ＜２．４（ａ^２＋２ａｂ）^１／２・・・（５）
の条件でも均一な電流密度分布を得ることができる。このように、本実施例に係る電極構成によれば、ライン電極２１ａとドット電極２１ｂとが相互に電流集中を回避するように配置されているので、半導体膜１０の厚さが薄い場合でも電流密度分布の均一化を図ることが可能となる。

次に、本発明の実施例に係る半導体発光装置１の製造方法について説明する。図６（ａ）〜（ｄ）、図７（ａ）〜（ｃ）は、半導体発光装置１の製造方法を示す断面図である。

（半導体膜形成工程）
半導体膜１０は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により形成した。半導体膜１０の結晶成長に使用する成長用基板５０として（１００）面から[０１１]方向に１５°傾斜させた厚さ３００μｍのｎ型ＧａＡｓ基板を使用した。成長用基板５０上に（Al_0.7Ga_0.3）_0.5In_0.5Pからなる厚さ３μｍのｎ型クラッド層１１を形成した。ｎ型クラッド層１１上に発光層１２を形成した。発光層１２は、（Al_0.1Ga_0.9）_0.5In_0.5Pからなる厚さ２０ｎｍの井戸層と（Al_0.56Ga_0.44）_0.5In_0.5Pからなる厚さ１０ｎｍのバリア層とを交互に１５回繰り返して積層した多重量子井戸構造とした。尚、井戸層のAl組成は発光波長に合わせて０≦ｚ≦０．４の範囲で調整することができる。発光層１２上に（Al_0.7Ga_0.3）_0.5In_0.5Pからなる厚さ１μｍのｐ型クラッド層１３を形成した。尚、ｎ型クラッド層１１およびｐ型クラッド層１３のＡｌ組成ｚは、０．４≦ｚ≦１．０の範囲で調整することができる。ｐ型クラッド層１３上にGa_0.9In_0.1Pからなる厚さ１．５μｍのｐ型コンタクト層１４を形成した。ｐ型コンタクト層１４のIn組成は、発光層１２からの光を吸収しない範囲で調整することができる。これらの各層により厚さ６μｍの半導体膜１０が構成される（図６（ａ））。尚、V族原料としてホスフィン（ＰＨ_３）を使用し、III族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）の有機金属を使用した。また、ｎ型不純物であるＳｉの原料としてシラン（ＳｉＨ_４）を使用し、ｐ型不純物であるＺｎの原料としてジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を使用した。成長温度は７５０〜８５０℃であり、キャリアガスに水素を使用し、成長圧力は１０ｋＰａとした。

（反射電極層およびメタル層形成工程）
ｐ型コンタクト層１４上にプラズマＣＶＤ法により誘電体層２２を構成するSiO₂膜を形成した。SiO₂膜の膜厚ｄは、真空中の発光波長をλ_０、ＳｉＯ_２膜の屈折率をｎ、任意の整数をｍとすると、ｄ＝ｍ・λ_０／４ｎを満たすように設定する。ここで、λ_０＝６２５ｎｍ、ｎ＝１．４５、ｍ＝３として、誘電体層２２の膜厚ｄ＝３２０ｎｍとした。続いて、ＳｉＯ_２膜上にレジストマスクを形成した後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたエッチングを行うことにより、ＳｉＯ_２膜に反射面側ライン電極２１ａおよび反射面側ドット電極２１ｂのパターンに対応したパターニングを施した。ＳｉＯ_２膜を除去した部分において開口部が形成され、この開口部においてｐ型コンタクト層１４が露出する（図６（ｂ））。尚、ＳｉＯ_２膜の成膜方法として熱ＣＶＤ法やスパッタ法を用いることもできる。また、ＳｉＯ_２膜のエッチング方法としてドライエッチング法を用いることも可能である。誘電体層２２の材料としては、ＳｉＯ_２以外にもＳｉ_３Ｎ_４やＡｌ_２Ｏ_３等の他の透明な誘電体材料を用いることができる。

次に、ＥＢ蒸着法により誘電体層２２上にＡｕＺｎからなる厚さ３００ｎｍの反射電極２１を形成した。反射電極２１は、先のエッチング処理によって誘電体層２２に形成された開口部においてｐ型電流拡散１４と接触する。反射電極２１は、誘電体層２２によってライン電極２１ａとドット電極２１ｂに隔てられる。誘電体層２２および反射電極２１により反射電極層２０が構成される（図６（ｃ））。

次に、反射電極層２０上にスパッタ法によりＴａＮ（１００ｎｍ）、ＴｉＷ（１００ｎｍ）、ＴａＮ（１００ｎｍ）を順次堆積させ、バリアメタル層２６を形成した。尚、バリアメタル層２６は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ等の他の高融点金属もしくはこれらの窒化物を含む単層又は２以上の層により構成されていてもよい。また、バリアメタル層２６の形成には、スパッタ法以外にＥＢ蒸着法を用いることが可能である。その後、約５００℃の窒素雰囲気下で熱処理を行った。これにより、反射電極２１とｐ型コンタクト層１４との間で良好なオーミック性接触が形成される。

次に、ＥＢ蒸着法によりバリアメタル層２６上にＮｉ（３００ｎｍ）、Ａｕ（３０ｎｍ）を順次形成し、接合層２７を形成した。尚、接合層２７の形成には、抵抗加熱蒸着法やスパッタ法を用いることが可能である（図６（ｄ））。

（支持基板接合工程）
半導体膜１０を支持するための支持基板３０としてｐ型不純物を添加することにより導電性が付与されたＳｉ基板を用いた。ＥＢ蒸着法により、支持基板３０の両面にＰｔからなる厚さ２００ｎｍのオーミック金属層３１、３２を形成した。続いて、スパッタ法によりオーミック金属層３２上にＴｉ（１５０ｎｍ）、Ｎｉ（１００ｎｍ）、ＡｕＳｎ（６００ｎｍ）を順次堆積して接合層３３を形成した。ＡｕＳｎ層は、共晶接合材として使用される。Ｎｉ層は共晶接合材に対する濡れ性を向上させる機能を有する。Ｔｉ層は、Ｎｉとオーミック金属層３２との密着性を向上させる機能を有する。尚、オーミック金属層３１、３２は、Ｐｔに限らずＳｉ基板との間でオーミック性接触を形成し得る他の材料、例えばＡｕ、Ｎｉ、Ｔｉなどを用いることができる。また、支持基板３０は、導電性および高熱伝導性を備えた他の材料、例えばＧｅ、Ａｌ、Ｃｕなどで構成されていてもよい。

半導体膜１０と支持基板３０とを熱圧着により接合した。半導体膜１０側の接合層２７と支持基板３０側の接合層３３とを密着させ、１ＭＰａ、３３０℃の窒素雰囲気下で１０分間保持した。支持基板３０側の接合層３３に含まれる共晶接合材（ＡｕＳｎ）が溶融して、半導体膜１０側の接合層２７（Ｎｉ／Ａｕ）との間でＡｕＳｎＮｉを形成することにより支持基板３０と半導体膜１０とが接合される（図７（ａ））。

（成長用基板除去工程）
半導体膜１０の結晶成長に使用した成長用基板５０をアンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより除去した。尚、成長用基板５０を除去する方法として、ドライエッチング法、機械研磨法、化学機械研磨法（ＣＭＰ）を用いてもよい。（図７（ｂ））。

（光取り出し面側電極形成）
成長用基板１０を除去することにより表出したｎ型クラッド層１１上に光取り出し面側オーミック電極４３、ショットキー電極４１および接続配線４２を形成した。ｎ型クラッド層１１との間でオーミック性接触を形成するＡｕＧｅＮｉをＥＢ蒸着法によりｎ型クラッド層１１上に堆積させた後、リフトオフ法によりパターニングを行ってオーミック電極４３を形成した。続いて、ＥＢ蒸着法によりｎ型クラッド層１１との間でショットキー接触を形成するＴｉ（１００ｎｍ）をｎ型クラッド層１１上に堆積させ、更にＴｉ上にＡｕ（１．５μｍ）を堆積した。その後、リフトオフ法によりパターニングを行ってショットキー電極４１および接続配線４２を形成した。尚、オーミック電極４３の材料としてＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｎＮｉ等を使用することも可能である。また、ショットキー電極４３としてＴａ、Ｗもしくはこれらの合金またはこれらの窒化物を使用することも可能である。次に、ｎ型クラッド層１１とオーミック電極４３との間でオーミック性接触の形成を促進させるために４００℃の窒素雰囲気下で熱処理を行った（図７（ｃ））。以上の各工程を経て半導体発光装置１が完成する。

尚、本実施例に係る半導体発光装置１において、反射面側ライン電極２１ａと反射面側ドット電極２１ｂとの間の距離ａは１３μｍ、光取り出し面側オーミック電極４３と反射面側ドット電極２１ｂとの水平距離ｂは２０μｍ、互いに隣接するドット電極間の距離ｃは２０μｍであり、式（５）によって示される均一な電流密度分布を得るための電極配置の条件を満たす。

（シミュレーション結果）
本発明の実施例に係る半導体発光装置１を駆動したときの電流密度分布をシミュレーションにより算出した。本発明の実施例に係る半導体発光装置１とは異なる電極構成を有する比較例１および比較例２に係る半導体発光装置についてもシミュレーションを行った。

はじめに、比較例１に係る半導体発光装置１００の電極構成について図８（ａ）を参照しつつ説明する。比較例１に係る半導体発光装置１００は、光取り出し面の中央に直径１００μｍの円形状のショットキー電極１１０が設けられている。光取り出し面側のオーミック電極１１１は、線状をなしており、ショットキー電極１１０から半導体発光装置１００の各辺に向けて十字型に伸長する部分と、半導体発光装置１００の外縁に沿って伸長する部分とにより構成されている。光反射面側においては、光取り出し面側のオーミック電極１１１によって区画された４つの領域内に略矩形状の反射電極１２０が配設されている。比較例に係る半導体発光装置１００は、反射電極がライン電極とドット電極に峻別されていない。尚、電極構成以外の他の構成については、本発明の実施例に係る半導体発光装置１と同様である。

次に、比較例２に係る半導体発光装２００の電極構成について図８（ｂ）を参照して説明する。比較例２に係る半導体発光装置２００は、反射電極がライン電極２１ａのみで構成され、ドット電極を有していない点が本発明の実施例に係る半導体発光装置１とは異なる。光取り出し面側のオーミック電極４３およびショットキー電極４１は、半導体発光装置１と同様である。

図９は、本発明の実施例に係る半導体発光装置１（図９右側）と比較例１に係る半導体発光装置１００（図９左側）のそれぞれについて実施した電流密度分布のシミュレーション結果を示したものである。ここで、ｐ型コンタクト層１４の厚さを１．５μｍとすることにより半導体膜１０の全体の膜厚を６μｍとした場合と、ｐ型コンタクト層１４の厚さを１０μｍとすることにより半導体膜１０の全体の厚さを１４．５μｍとした場合についてシミュレーションを行った。図９において、電流密度の大小は、発色の濃淡で表現されている。すなわち、図９において、発色が濃い部分と薄い部分が明確である程、半導体膜内における電流密度分布が不均一であることを示している。尚、光取り出し面側ショットキー電極４１の直下には電流を流さないことが前提となっているので、この部分は評価の対象から除外される。

比較例１に係る半導体発光装置１００において、半導体膜の厚さを６μｍとした場合と、１４．５μｍとした場合の双方で、反射電極１２０上で電流集中が起っていることが確認された。半導体膜の厚さが薄くなる程電流集中が顕著となった。一方、本発明の実施例に係る半導体発光装置１において、半導体膜１０の厚さを６μｍとした場合、電流密度分は概ね均一となることが確認された。比較例２に係る半導体発光装置２００においては、半導体膜の厚さを６μｍとした場合と、１４．５μｍとした場合のいずれにおいても電流集中が確認された。特に、半導体膜の厚さを６μｍとした場合、反射面側ライン電極２１ａ上で電流集中が確認され、半導体膜の厚さを１４．５μｍとした場合、光取り出し面側オーミック電極４３直下で電流集中が確認された。また、比較例２に係る半導体発光装置２００においては、半導体膜の厚を６μｍとした場合、比較例１に係る半導体発光装置１００よりも電流集中は軽減されており、半導体膜の厚さを１４．５μｍとした場合、本発明の実施例に係る半導体発光装置１および比較例１に係る半導体発光装置１００よりも電流集中は軽減された。このように、光反射面側の反射電極をライン電極のみで構成し、ドット電極を設けない場合には、半導体膜の厚さが薄い場合に電流拡散が不十分となり、電流集中が生じることが確認された。

図１０は、図９に示したシミュレーション結果を数値データとして表したものであり、電流密度の差の値を示したものである。すなわち、図１０において示される値が小さい程、電流密度分布が均一であることを意味している。本発明の実施例に係る半導体発光装置１において、半導体膜１０の厚さを６μｍとした場合、半導体膜１０内の電流密度の差は７０Ａ／ｃｍ^２と、他の場合と比較して大幅に小さくなっており、電流密度の均一性が確保されていることが定量的に確認された。

（実測結果）
図１１は、実際に作製された本発明の実施例に係る半導体発光装置１と比較例１に係る半導体発光装置１００のそれぞれについて、半導体膜の厚さを６μｍおよび１４．５μｍとした場合の発光分布の実測結果を示している。図１１において、発光強度の大小は発色の濃淡で表現されており、発色が濃い部分と薄い部分が明確である程、発光分布が不均一であることを示している。発光分布は、図９に示した電流密度分布シミュレーションの結果と概ね整合する結果となっており、本発明の実施例に係る半導体発光装置１において半導体膜１０の厚さを６μｍとした場合に均一な発光分布を得ることができた。それ以外の場合は、シミュレーションによって電流集中が生じていることが確認された部分で発光強度が他の部分よりも大きくなる傾向がみられた。

図１２は、本発明の実施例に係る半導体発光装置１と比較例１に係る半導体発光装置１００のそれぞれについて半導体膜１０の厚さを６μｍおよび１４．５μｍとした場合の電流−光出力特性を測定した結果である。図１３は、上記４つのケースにおいて光出力が飽和したときの電流値（飽和電流値と称する）を示している。図１２に示すように、本実施例に係る電極構成とすることにより、比較例と比べて大幅に発光効率が向上した。特に、本実施例に係る電極構成とした場合、電流が比較的大きい領域における発光効率の低下が小さく、比較例１との差が顕著となった。半導体膜の厚さを６μｍとした場合において、本実施例に係る電極構成とすることにより、比較例に対して飽和電流が３７％向上した。

図１４は、上記４つのケースにおいて順方向に９０ｍＡの電流を流したときの順方向電圧Ｖ_Ｆの値を示している。本実施例に係る電極構成とすることにより、比較例に対して順方向電圧Ｖ_Ｆの値は、２００〜３００ｍＶ程度小さくなることが確認された。これは、本実施例に係る半導体発光装置１では反射面側ライン電極２１ａおよびドット電極２１ｂが、光取り出し面側オーミック電極４３を挟んだ両側に配置されており、電極間距離（電流経路）が比較例と比べて短くなっているためである。

このように、本発明の半導体発光装置によれば、半導体膜の厚さが比較的薄い場合でも、電流集中を防止して半導体膜内の電流密度分布を均一にすることができる。これにより、均一な発光分布を得ることができ、また局所的な発熱や電界集中を防止して高い信頼性を確保することができる。

［実施例２］
図１５は、本発明の実施例２に係る半導体発光装置２の電極構成を示す平面図である。半導体発光装置２は、実施例１に係る半導体発光装置１と同様、光取り出し面側においてショットキー電極４１およびオーミック電極４３が形成され、反射面側においてライン電極２１ａ、ドット電極２１ｂが形成されている。図１５においてこれらの各電極は、同一平面上に示されている。

半導体発光装置２は、例えば１辺３１０μｍの正方形をなしている。ショットキー電極４１は、例えば直径１００μｍの円形状をなしており、半導体膜表面の中央に配置されている。光取り出し面側オーミック電極４３は、ショットキー電極４１を挟んだ両側において、半導体発光装置２の互いに対向する２つの辺と平行となるように配置された直線状の電極片４３ｉおよび４３ｊと、ショットキー電極４１の中心線上において電極片４３ｉおよび４３ｊと平行となるように配置された電極片４３ｋ、４３ｌにより構成される。各電極片４３ｉ〜４３ｌは接続配線４２によってショットキー電極４１に電気的に接続されている。反射面側ライン電極２１ａは、半導体発光装置２の外縁に沿って伸長する第１の部分２１ａ_５と、上記第１の部分２１ａ_５に接続され、光取り出し面側オーミック電極４３を構成する各電極片４３ｉ〜４３ｌの間において、これらの電極片４３ｉ〜４３ｌと平行となるように伸長する第２の部分２１ａ_６とにより構成される。反射面側ドット電極２１ｂは、光取り出し面側オーミック電極４３の各電極片４３ｉ〜４３ｌに沿うように列をなして配置される。光取り出し面側オーミック電極４３を構成する各電極片４３ｉ〜４３ｌを挟む両側に反射面側ライン電極２１ａおよび反射面側ドット電極２１ｂが配置されている点および上記した条件１〜条件３を満たすように各電極が配置されている点は、実施例１に係る半導体発光装置１と同様である。尚、光取り出し面側と反射面側の各電極のレイアウト以外は、実施例１に係る半導体発光装置１と同様である。実施例２に係る半導体発光装置２によれば、実施例１の場合と同様、半導体膜の厚さが比較的薄い場合でも、電流集中を防止して半導体膜内の電流密度を均一に分布させることができる。これにより、均一な発光分布を得ることができ、高い信頼性を確保することができる。また、実施例２に係る半導体発光装置２においては、光取り出し面側の電極と反射面側の電極を含めた全体の電極形状が、半導体発光装置２の中心点を回転中心としたときに２回回転対称となるようにパターン形成されている。かかる電極構成によれば、半導体発光装置のサイズを変更した場合に電極パターンのレイアウトの変更の対応が容易となる。

１０半導体膜
１１ｎ型クラッド層
１２発光層
１３ｐ型クラッド層
１４ｐ型コンタクト層
２０反射電極層
２１反射電極
２１ａ反射面側ライン電極
２１ｂ反射面側ドット電極
２２誘電体層
３０支持基板
４１光取り出し面側ショットキー電極
４３光取り出し面側オーミック電極

Claims

支持基板と、前記支持基板上に設けられた光反射性を有する反射電極と、前記反射電極上に設けられた発光層を含むAlGaInP系半導体膜と、前記半導体膜上に設けられた表面電極と、を含む半導体発光装置であって、
前記表面電極は、前記半導体膜上に分散配置され且つ前記半導体膜との間でオーミック性接触を形成する複数の電極片からなるオーミック電極を含み、
前記反射電極は、前記オーミック電極を構成する電極片の各々を挟んだ両側において前記電極片に沿うように設けられた線状のライン電極および複数の島状のドット電極からなり、
前記ライン電極と前記ドット電極との間の距離をａ、前記オーミック電極と前記ドット電極を前記半導体膜の主面と平行な同一平面に投影した場合におけるこれらの電極間の距離をｂ、互いに隣接するドット電極間の距離をｃとしたときに、
ｂ＞ａ且つ０．８（ａ^２＋２ａｂ）^１／２＜ｃ＜２．４（ａ^２＋２ａｂ）^１／２
を満たすように前記表面電極および前記反射電極が配設され、
前記半導体膜の厚さが６μｍ以下であることを特徴とする半導体発光装置。
前記表面電極と前記反射電極とを含めた電極形状は、４回回転対称であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記表面電極と前記反射電極とを含めた電極形状は、２回回転対称であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
前記表面電極は、前記半導体膜との間でショットキー接触を形成し、且つ前記オーミック電極に電気的に接続されたショットキー電極を更に含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。