JP5661660B2

JP5661660B2 - 半導体発光素子

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Publication number: JP5661660B2
Application number: JP2012024096A
Authority: JP
Inventors: 勝義古木; 宏徳山崎; 幸江西川
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Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2015-01-28
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Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

照明装置、表示装置、信号機などに用いる発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode)などの半導体発光素子には、高出力化が要求される。

発光層の下方に反射金属層を設けて、発光層から下方に向かった放出光を上方に向けて反射すると、光取り出し効率を高めることができる。反射金属層は、たとえば、発光層を含む半導体積層体と、シリコンなどからなる基板と、を接続する接合金属層の一部とすることができる。

発光層と接合金属層との間には、異なる材料からなる界面が存在する。この界面が平坦であると、光取り出し効率を十分に高めることができないことがある。

特開２０１１−１４２３５３号公報

光取り出し効率および輝度が高められた半導体発光素子を提供する。

実施形態の半導体発光素子は、発光層と、第１電極と、絶縁層と、第１導電形層と、第２導電形層と、第２電極と、を有する。前記第１電極は、反射金属層と、前記反射金属層の上に設けられた透明導電膜と、を有する。前記絶縁層は、前記第１電極の上に設けられ開口部を有する。前記第１導電形層は、前記発光層と前記第１電極との間に設けられ、前記開口部に露出した前記透明導電膜と、前記絶縁層の表面と、に接する。前記第２導電形層は、前記発光層の側の第１の面と、前記第１の面の反対の側の第２の面とを有する。前記第２電極は、前記第２導電形層の前記第２の面に設けられる。前記第１導電形層と前記絶縁層との界面は、一方の底角が９０度以上である第１の凹凸を有する。前記第２導電形層の前記第２の面のうち前記第２電極が設けられない領域は、第２の凹凸を有する。また、前記透明導電膜と前記反射金属層との界面は、第３の凹凸を有する。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。図２（ａ）は第１の実施形態における光の散乱および反射を説明する模式図、図２（ｂ）は非対称凹凸の模式断面図、である。図３（ａ）は第１の実施形態の第１変形例の模式断面図、図３（ｂ）は第１の実施形態の第２変形例の模式断面図、である。比較例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。第１の実施形態にかかる第３変形例の模式断面図である。第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。図７（ａ）は第２の実施形態における光の散乱および反射を説明する模式図、図７（ｂ）は比較例における光の散乱および反射を説明する模式図、である。図８は、第２の実施形態の半導体発光素子の製造方法を示す模式図であり、図８（ａ）は結晶成長基板に形成された半導体積層体の模式断面図、図８（ｂ）は第１の凹凸の模式断面図、図８（ｃ）は開口部を有する絶縁層の模式断面図、図８（ｄ）は透明導電膜が形成された模式断面図、図８（ｅ）は第２の凹凸が形成された模式断面図、図８（ｆ）は凹凸を有する反射金属層が形成された模式断面図、図８（ｇ）は第１金属層が形成された模式断面図、である。図９（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施形態の製造方法を示す模式図であり、図９（ａ）はウェーハ接着を説明する模式図、図９（ｂ）はウェーハ接着後の模式断面図、図９（ｃ）は結晶成長基板が除去された模式断面図、図９（ｄ）は凹凸が形成された模式断面図、図９（ｅ）は第２電極が形成された模式断面図、である。第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
半導体発光素子は、支持基板１０と、第１電極２９と、半導体積層体４２と、第２電極５０と、を有する。

支持基板１０は、たとえば、ＳｉやＳｉＣ等などとすることができる。第１電極２９は、支持基板１０の上に設けられた接合金属層２０と、接合金属層２０の上に設けられ接合金属層２０の光反射率よりも高い光反射率を有する反射金属層２６と、反射金属層２６の上に設けられた透明導電膜２８と、を有する。接合金属層２０は、第１金属層２２と、第２金属層２４と、が固相拡散や半田材により接合されたものとすることができる。すなわち、第１金属層２２が支持基板１０の側に設けられ、第２金属層２４が半導体積層体４２の側に設けられるものとする。なお、透明導電膜２８は省略することができる。さらに、第２金属層２４は省略することができ、反射金属層２６を半導体積層体４２の接合金属として用いることもできる。

第１金属層２２と第２金属層２４とを接合することにより、半導体積層体４２と、支持基板１０と、を一体化することができる。支持基板１０を導電性とすると、支持基板１０の裏面に設けられた裏面電極６２と、第２電極５０と、の間に電圧を加えて半導体発光素子を駆動することができる。

半導体積層体４２は、第１電極２９の側から、第１導電形層３０と、発光層３８と、第２導電形層４０と、を含むことができる。また、半導体積層体４２は、第１電極２９の側の第１の面４２ａと、第１の面４２ａの反対の側の第２の面４２ｂと、を有する。

半導体積層体４２は、たとえばＩｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなるＩｎＧａＡｌＰ系材料を含むことができる。この場合、電極に対してオーミックコンタクトとなるＧａＡｓやＧａＰをさらに含むことができる。また、Ｇａ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなるＧａＡｌＡｓ系材料を含むことができる。

なお、以下の説明において、第１導電形層３０は、ｐ形とし、ＧａＰ層３０ａと、ＩｎＧａＡｌＰ層３０ｂと、を有するものとする。透明導電膜２８と接する領域のＧａＰ層３０ａの濃度を高濃度とすると透明導電膜２８に対するコンタクト層として作用し選択的に電流注入ができる。ＩｎＧａＡｌＰ層３０ｂは、たとえば、クラッド層、光ガイド層、電流拡散層を含むことができる。

また、たとえば、第２導電形層４０は、ｎ形とし、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を含むクラッド層、光ガイド層、電流拡散層、第２電極５０に対するコンタクト層として作用するＧａＡｓ層、を含むことができる。もちろん導電形はこれに限定されず、第１導電形層３０と第２導電形層４０とは、各々、逆導電形であってもよい。

また、半導体積層体４２は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる窒化物系材料などとすることができる。この場合、コンタクト層は、たとえば、クラッド層よりも高い濃度を有するＧａＮ層などとすることができる。

第１金属層２２は、たとえば、Ａｕ、ＡｕＩｎなどを含むものとすることができる。また、第２金属層２４は、Ａｕ、ＡｕＩｎなどを含むものとすることができる。

また、反射金属層２６は、たとえば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌなどとすることができる。透明導電膜２８は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide)などとすることができる。なお、可視光波長範囲において、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌなどの光反射率は、接合金属層２０の光反射率よりも高い。特に、発光層３８が窒化物系半導体であり青〜青紫色光を放出する場合、光反射率が高いＡｇやＡｇ合金を反射金属層２６として用いることが好ましい。

第２電極５０は、半導体積層体４２の第２の面４２ｂの側に設けられ、半導体積層体４２へ電流を注入可能な細線部５０ｂと、細線部５０ｂと電気的に接続されたパッド部５０ａと、を有する。細線部５０ｂは、たとえば、図１（ａ）のように、パッド部５０ａから外方へ向かって延在するように設けることができる。または、細線部５０ｂは、パッド部５０ａの周囲を囲むようにしてもよい。なお、パッド部５０ａの下方にＧａＡｓからなる高濃度のコンタクト層を設けないと、パッド部５０ａからの電流注入が抑制され無駄な発光を低減し、光取り出し効率を高めることができる。もし、細線部５０ｂを設けない場合、パッド部５０ａの下方にコンタクト層を設けると、電流注入が容易となる。

第１の実施形態において、半導体積層体４２の第１の面４２ａの少なくとも一部には、第１の凹凸が設けられる。また、半導体積層体４２の第２の面４２ｂのうち第２電極５０が設けられない領域には、第２の凹凸４２ｃが設けられる。

なお、上方からみて、細線部５０ｂを挟み、細線部５０ｂと重ならない半導体積層体４２の第１の面４２ａの所定領域に選択的に電流を注入するために、たとえば、所定領域には第１の凹凸を設けずＧａＰ層３０ａの表面の高濃度層を残すことができる。ＧａＰ層３０ａを低濃度層と高濃度層の２層構造にして、電流を選択的に注入する所定領域には凹凸構造を設けずに表面の高濃度層を残し、第１の凹凸を設けた領域では高濃度層を残さず低濃度層とすることができる。このとき、高濃度ＧａＰ層と透明導電膜２８とのコンタクト抵抗は小さいため電流が注入されるが、低濃度ＧａＰ層と透明電極膜２８とのコンタクト抵抗は大きいので、第１の凹凸が設けられた領域には電流が注入されない。よって、上方から見て、細線部５０ｂと重ならない領域で発光が起こるので、光取り出し効率を高めることができる。

図２（ａ）は、第１の実施形態における光の散乱および反射を説明する模式図、図２（ｂ）は非対称凹凸の模式断面図、である。
図２（ａ）のように、発光層３８と、ＩｎＧａＡｌＰ層３０ｂは、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり、屈折率が約３．２とする。ＧａＰ層３０ａは、屈折率が約３．４とする。また、透明導電膜２８は、ＩＴＯ（屈折率：約２．０）からなるものとし、屈折率は約２．０とする。発光層３８から上方に向かった光は、第２の凹凸４２ｃが設けられた領域から上方に放出される。

ＧａＰ層３０ａに凹凸が無い場合、発光層３８から下方に向かう光は、屈折率の大きいＧａＰ層３０ａから屈折率の小さい透明導電膜２８に入射する場合、この界面に対して臨界角より大きい角度で入射した光は全反射されて上方に向う。その際、その光の一部は素子の側面から外部に漏れ出し、光取り出し効率が低下する可能性がある。一方、臨界角より小さい角度で入射した光は透明導電膜２８に入り、反射金属層２６で反射されて上方に向う。反射金属層２６で反射され上方に向った光は、再び透明導電膜２８とＧａＰ層３０ａの界面に向うが、光の一部はこの界面で反射され素子の側面から光が外部に漏れ出すなどして、光取り出し効率が低下する。

これに対して第１の実施形態では、屈折率の大きいＧａＰ層３０ａから屈折率の小さい透明導電膜２８に入射する場合、ＧａＰ層３０ａに第１の凹凸を設けることにより、実効的に屈折率傾斜を設けることが出来るので、この界面で全反射されて上方に向う光の量は相対的に減少する。よって、素子の側面から外部に漏れ出す光の量を低減できる。一方、透明導電膜２８に入る光の量は相対的に増加する。透明導電膜２８に入り、反射金属層２６で反射されて上方に向った光は、再び透明導電膜２８とＧａＰ層３０ａの界面に向う。ＧａＰ層３０ａに凹凸を設けることにより、透明電極層２８とＧａＰ層３０ａの界面において光の散乱が生じ、この界面で反射されて外部に漏れ出す光の割合を低減することが可能となる。よって、図２に示す光ｇ１のように上方に向う光が増えて、結果的にＧａＰ層３０ａに凹凸を設けない場合に比べて、光取り出し効率を向上させることが可能となる。

第１および第２の凹凸４２ｃの形状は、規則的でも不規則的でもよいが、凹凸のピッチが発光層３８からの放出光の媒質内波長程度か、またはそれよりも長くすると光の散乱効果を高めることができるので好ましい。

また、図２（ｂ）のように、第２の凹凸４２ｃは、その断面の一方が９０°より大きい角度βを持つ三角形とすることができる。このような形状にすることにより、反射が起こる面の面積を実効的に拡大することが可能となり、高い光取り出し効率を得ることが出来る。光が反射される割合は、反射面の面積に略比例するからである。特に、第２の凹凸４２ｃは、屈折率の大きい半導体から屈折率の小さい樹脂への光取り出し面となるため、その断面が底角の一方が９０°より大きい角度を持つ三角形とすることの効果が大きく得られる。なお、第１の凹凸においても、断面の一方が９０°よりも大きい角度を持つ三角形とすることができる。

図３（ａ）は第１の実施形態の第１変形例の模式断面図、図３（ｂ）は第１の実施形態の第２変形例の模式断面図、である。
図３（ａ）の第１変形例のように、第１導電形層３０のＧａＰ層３０ａは、全面に凹凸が設けられていてもよい。なお、上方からみて、細線部５０ｂを挟み、細線部５０ｂと重ならない半導体積層体４２の第１の面４２ａの所定領域に選択的に電流を注入するためには、たとえば、所定領域にはＧａＰ層３０ａの表面の高濃度層を残すことができる。この場合、ＧａＰ層３０ａを低濃度層と高濃度層の２層構造にして、電流を選択的に注入する領域には表面の高濃度層を残し、電流を注入しない領域では高濃度層を残さず低濃度層とすることができる。このとき、高濃度ＧａＰ層と透明導電膜２８とのコンタクト抵抗は小さいため電流が注入されるが、低濃度ＧａＰ層と透明導電膜２８とのコンタクト抵抗は大きいので、電流が注入されない。よって、上方から見て、細線部５０ｂと重ならない領域で発光が起こるので、光取り出し効率を高めることができる。

また、図３（ｂ）の第２変形例のように、第１の凹凸は、透明導電膜２８と、反射金属層２６と、の界面に設けられてもよい。なお、上方からみて、細線部５０ｂを挟み、細線部５０ｂと重ならない半導体積層体４２の第１の面４２ａの所定領域に選択的に電流を注入するためには、たとえば、所定領域にはＧａＰ層３０ａの表面の高濃度層を残すことができる。この場合、ＧａＰ層３０ａを低濃度層と高濃度層の２層構造にして、電流を選択的に注入する領域には表面の高濃度層を残し、電流を注入しない領域では高濃度層を残さず低濃度層とすることができる。このとき、高濃度ＧａＰ層と透明導電膜２８とのコンタクト抵抗は小さいため電流が注入されるが、低濃度ＧａＰ層と透明導電膜２８とのコンタクト抵抗は大きいので、電流が注入されない。よって、上方から見て、細線部５０ｂと重ならない領域で発光が起こるので、光取り出し効率を高めることができる。

さらに、凹凸は、透明導電膜２８の両面に設けられてもよく、第１導電形層３０と透明導電膜２８の界面の凹凸形状と、透明導電膜２８と反射金属層２６の界面の凹凸形状は異なっていてもよい。透明導電体膜２８の両面に設けられることにより、第１の実施形態と、第２変形例と、に示した効果の両方を得ることが出来る。

図４は、比較例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
比較例では、半導体積層体１４２の第２の面に凹凸１４２ｃが設けられる。凹凸１４２ｃは、フロスト処理などにより形成された微小凹凸とする。この場合、発光層１３８から上方に向かう光は、半導体積層体１４２の表面の凹凸１４２ｃに入射され、凹凸１４２ｃにより散乱されつつ放出された光の取り出し効率を高めることができる。

しかしながら、第１コンタクト層１３０ａと、透明導電膜１２８を含む第１電極１２９と、の間の界面のいずれにも凹凸が設けられない。界面に凹凸が無い場合、発光層１３８から下方に向かう光は、屈折率の大きい第１コンタクト層１３０ａから屈折率の小さい絶縁膜１４６に入射する際、この界面に対して臨界角より大きい角度で入射した光は全反射されて上方に向う。その際、その光の一部は素子の側面から外部に漏れ出し、光取り出し効率が低下する可能性がある。一方、臨界角より小さい角度で入射した光は絶縁層１４６を介して透明導電膜１２８に入り、反射金属層１２６で反射されて上方に向う。反射金属層１２６で反射され上方に向った光は、再び透明導電膜１２８と第１コンタクト層１３０ａの界面に向うが、光の一部はこの界面で反射され素子の側面から光が外部に漏れ出すなどして、光取り出し効率が低下する。

これに対して、第１の実施形態では、ＧａＰ層３０ａと、透明導電膜２８と、の界面に設けられた第１の凹凸により全反射が低減され、透明導電膜２８へ入射する光の割合は増加する。さらに、図２のように、反射金属層２６により反射された光ｇ１は、第１の凹凸により散乱されつつ上方に向かって進行することが容易となる。すなわち、側方へ漏れる光を低減でき、光取り出し効率を高めることができる。発明者らの実験によれば、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の輝度は、比較例の輝度に対して約１２０％の輝度と高めることができた。

図５は、第１の実施形態の第３変形例にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
第１の凹凸が設けられたＧａＰ層３０ａの上にＳｉＯ_２などからなる絶縁層４６を設けてもよい。第１の凹凸と透明導電膜２８との間にＳｉＯ_２やＳｉＯＮ材料からなる絶縁層４６を設けることにより、電流注入領域をより選択的に限定することができる。絶縁層４６には開口部が設けられているので、この開口部でＧａＰ層３０ａと透明導電膜２８が接することにより電流が注入される。特に、１００ｍＡ以上の大きな駆動電流を必要とするＬＥＤにおいて、絶縁層４６を設けることがより好ましく、高い電流領域においても十分な電流狭窄効果が得られる。絶縁層４６の厚さを、凹凸の高さよりも大きくし、絶縁層４６の上に設ける透明導電膜２８を略平坦としてもよい。

絶縁層４６の厚さは、３０〜２００ｎｍであることが望ましい。３０ｎｍより薄い場合は、絶縁層４６の被覆率が悪くなるとピンホールが生じる懸念があり、ピンホール部分から電流がリークする可能性がある。一方、２００ｎｍより厚い場合には、絶縁層４６の開口部における段差が大きくなり、透明導電膜２８や反射金属層２６により良好に埋め込まれない懸念がある。また、絶縁層４６と透明導電膜２８との界面には、凹凸形状が無くてよいが、ＧａＰ層３０ａに形成された第１の凹凸の形状を反映した凹凸が形成されていてもよい。また、第１の凹凸形状とは異なる凹凸形状が形成されていてもよい。

図６は、第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
半導体積層体４２の第１の面４２ａと、透明導電膜２８と、の間には、絶縁層４６をさらに有する。絶縁層４６には、開口部４６ｃが設けられている。開口部４６ｃに露出した第１の面４２ａの領域は、透明導電膜２８と接する。第２の実施形態では、ＧａＰ層３０ａと絶縁層４６との界面に第１の凹凸が設けられる。また、第２の凹凸４２ｃは、半導体積層体４２の第２の面４２ｂのうち、第２電極５０の非形成領域に設けられる。

さらに、透明導電膜２８と反射金属層２６との界面には、第３の凹凸が設けられる。また、反射金属層２６と接合金属層２０との界面には第４の凹凸が設けられていてもよい。第３および第４の凹凸は、規則的でも不規則的でもよいが、凹凸のピッチが発光層３８からの放出光の媒質内波長程度か、またはそれよりも長くすると光の散乱効果を高めることができるので好ましい。

図７（ａ）は第２の実施形態の反射金属層の表面における光の散乱および反射を説明する模式図、図７（ｂ）は比較例における反射金属層の表面における光の散乱および反射を説明する模式図、である。
図７（ａ）のように、第２の実施形態にかかる半導体発光素子において、透明導電膜２８と反射金属層２６との間の界面には凹凸が設けられている。このような構造は、エッチング法などを用いて形成された透明導電膜２８の表面の凹凸面に、凹凸を保ちつつ反射金属層２６を形成することにより実現することができる。透明導電膜２８内を進行し反射金属層２６の表面に当たった光ｇ３は、微凹凸面により反射され上方に向かう光が反射される割合は、反射面の面積に略比例するので凹凸が設けられることにより反射される光の割合は増加するので、光取り出し効率を高めることができる。

第１および第２の凹凸の形状は、規則的でも不規則的でもよいが、凹凸のピッチが発光層３８からの放出光の媒質内波長程度か、またはそれよりも長くすると光の散乱効果を高めることができるので好ましい。また、第１および第２の凹凸は、その断面が底角の一方が９０°より大きい角度を持つ三角形とすることができる。このような形状にすることにより、反射が起こる面の面積を実効的に拡大することが可能となり、高い光取り出し効率を得ることが出来る。光が反射される割合は、反射面の面積に略比例するからである。特に、第２の凹凸は、屈折率の大きい半導体積層体４２から屈折率の小さい封止樹脂層への光取り出し面となるため、その断面が底角の一方が９０°より大きい角度を持つ三角形とすることの効果が大きく得られる。

図７（ｂ）は、図４に示した比較例にかかる半導体発光素子における光の反射を示す。透明導電膜１２８内を進行した光ｇｇは、反射金属層１２６により反射される。もし入射角が大きくなると、側方に向かって進む光の割合が増加するので上方で取り出し可能な光の割合が減少する。

発明者らの実験によれば、第２の実施形態にかかる半導体発光素子の輝度は、比較例の輝度に対して約１３０％と高めることができた。

図８（ａ）〜（ｇ）は、第２の実施形態の半導体発光素子の製造方法を説明する模式図である。すなわち、図８（ａ）は結晶成長基板に形成された半導体積層体の模式断面図、図８（ｂ）は第１の凹凸が形成された模式断面図、図８（ｃ）は開口部を有する絶縁層が形成された模式断面図、図８（ｄ）は透明導電膜が形成された模式断面図、図８（ｅ）は第２の凹凸が形成された模式断面図、図８（ｆ）は両面に凹凸を有する反射金属層が形成された模式断面図、図８（ｇ）は第１金属層が形成された模式断面図、である。

ＧａＡｓからなる結晶成長基板８０の上に、ｎ形ＧａＡｓのコンタクト層（１×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア濃度、０．１μｍの厚さ）、ｎ形Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐの電流拡散層（１．６×１０^１８ｃｍ^−３のキャリア濃度、３．５μｍの厚さ）、ｎ形Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐの第２クラッド層（４×１０^１７ｃｍ^−３のキャリア濃度、０．６μｍの厚さ）、発光層３８、ｐ形Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐの第１クラッド層（３×１０^１７ｃｍ^−３のキャリア濃度、０．６μｍの厚さ）を含むＩｎＧａＡｌＰ層３０ｂ、ｐ形のＧａＰ層３０ａ（５×１０^２０ｃｍ^−３の不純物濃度、０．２〜０．８μｍの厚さ）、がこの順に少なくとも積層された半導体積層体４２を形成する（図８（ａ））。

発光層３８は、例えば、Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐからなり、４ｎｍの厚さの井戸層と、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．４Ａｌ_０．６）_０．５Ｐからなり、厚さ７ｎｍの障壁層と、を有するＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とすることができる。発光層３８は、例えば、０．６１〜０．７μｍの赤色光波長範囲の光を放出可能である。なお、半導体積層体４２の構造は、これらに限定されない。また、半導体層３８は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法などを用いて結晶成長を行うことができる。

続いて、図８（ｂ）のように、ＧａＰ層３０ａの表面にウェットエッチング法などを用いて凹凸を形成する。この場合、たとえば、ＧａＰ層３０ａの厚さを０．２〜０．８μｍの範囲とし、凹凸の高低差をＧａＰ層３０ａの厚さの約２分の１とすることができる。尚、ＧａＰ層３０ａの第１電極と接する一部分には、凹凸形状を形成しないこともできる。

続いて、図８（ｃ）のように、ＳｉＯ_２などからなる絶縁層４６を形成し、開口部４６ｃを設ける。開口部４６ｃにはＧａＰ層３０ａが露出するようにする。なお、絶縁層４６と接する凹凸面はＩｎＧａＡｌＰ層３０ｂであってもよい。

続いて、透明導電膜２８を形成する。透明導電膜２８の厚さは、たとえば、０．２〜０．８μｍとすることができる。さらに、図８（ｅ）のように、透明導電膜２８の表面に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)などのドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いて凹凸面を形成する。この微小凹凸は、規則的でも不規則的でもよいが、凹凸のピッチが発光層４０からの放出光の媒質内波長程度か、またはそれよりも長くすると光の拡散効果を高めることができるので好ましい。凹凸の形状は、その断面が底角の一方が９０°より大きい角度を持つ三角形とすることができる。このような形状にすることにより、反射が起こる面の面積を実効的に拡大することが可能となり、高い光取り出し効率を得ることが出来る。

続いて、図８（ｆ）のように、反射金属層２６を形成する。反射金属層２６を薄くすると、反射金属層２６の表面にも凹凸が引き継がれる。反射金属層２６の厚さは、たとえば、１００ｎｍ以上、５００ｎｍ以下とすることができる。もし、１００ｎｍよりも薄いと光が透過し、反射金属層２６として十分に機能しなくなる。また、５００ｎｍよりも厚いと、チップ側面の反射金属層２６の除去が必要になった場合に、大きな段差が生じ接合金属層の埋め込みがうまくいかないことがある。続いて、図８（ｇ）のように、第２接合金属層２４を形成する。第２接合金属層２４は、たとえばＡｕまたはＡｕＩｎなどとすることができる。

図９（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施形態の製造方法を示す模式図である。すなわち、図９（ａ）はウェーハ接着を説明する模式図、図９（ｂ）は接着後の模式断面図、図９（ｃ）は結晶成長基板を除去した模式断面図、図９（ｄ）は第１導電形層の第２の面に凹凸を形成した模式断面図、図９（ｅ）は第２電極を形成した後の模式断面図、である。

導電性を有するＳｉやＳｉＣなどからなる支持基板１０に、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉなどを含むバリア金属層、バリア金属層の上に設けられたＡｕ層やＡｕＩｎ層などを含む第１接合金属層２２、をこの順序で形成する。

図９（ｂ）のように、結晶成長基板８０に形成された半導体積層体４２の上の第２接合金属層２４の表面と、支持基板１０の側の第１接合金属層２２とを重ね合わせ、加熱かつ加圧により、ウェーハ接着を行う。

続いて、図９（ｃ）のように、研磨やウェットエッチング法などを用いて結晶成長基板８０を除去する。なお、結晶成長基板８０を除去して露出した第２導電形層４０の表面は、たとえばＧａＡｓからなるコンタクト層４０ａを有するものとする。図９（ｄ）のように、パッド部５０ａの下方とする領域のコンタクト層４０ａを除去した面にパッド部５０ａ、およびコンタクト層４０ａの上に細線部５０ｂを形成する。パッド部５０ａと細線部５０ｂとを含む第２電極５０は、第２導電形層４０の側から、例えばＡｕＧｅ、Ａｕなどをこの順序で積層したものとすることができる。なお、細線部５０ｂを設けないない電極構造では、パッド部５０ａの下方にコンタクト層４０ａを残すようにする。

もし、半導体積層体４２を窒化物系材料とする場合、結晶成長基板８０は、サファイヤ、Ｓｉ、ＳｉＣなどとすることができる。サファイヤ基板は、レーザーリフトオフ法などを用いて除去できる。また、ＳｉやＳｉＣは、研磨やウェットエッチング法を用いて除去できる。

さらに、図９（ｅ）のように、細線部５０ｂの下方となる領域以外のコンタクト層４０ａを除去する。さらに露出した第２導電形層４０の表面にフロスト処理などにより凹凸を形成する。また、支持基板１０の裏面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどからなる裏面電極６２を形成したのち、チップへ分割する。

図１０は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式断面図である。
第３の実施形態では、反射金属層２６と透明導電膜２８との間の界面は、第１の凹凸を有する。また、反射金属層２６と接合金属層２０との界面は、第３の凹凸を有する。なお、第１導電形層３０には、凹凸が設けられない。透明導電膜２８の厚さは、たとえば、０．２〜０．８μｍの範囲とする。また、凹凸の山と谷との差で表す高さの平均は、透明導電膜２８の厚さの２分の１とすることができる。接合金属層２０を構成する第２金属層２４の反射金属層２６の側に第３の凹凸を有していても、第２金属層２４をＡｕＩｎのような半田材とすることにより、第１金属層２２との間で平坦な接合界面とすることができる。

発光層３８から下方へ向かう光は、半導体積層体４２、透明導電膜２８、絶縁層４６などのそれぞれの界面において反射や屈折しつつ反射金属層２６へ入射する。入射光は、反射金属層２６の表面の凹凸により散乱しつつ反射される。図７（ａ）に示した光ｇ３のように、散乱された光は、上方で取り出す割合が増加する。このため、光取り出し効率が増加する。第３の実施形態にかかる半導体発光素子の輝度は、比較例の輝度の約１１５％と高めることができた。凹凸は、その断面が底角の一方が９０°より大きい角度を持つ三角形とすることができる。このような形状にすることにより、反射が起こる面の面積を実効的に拡大することが可能となり、高い光取り出し効率を得ることが出来る。

第１〜第３の実施形態およびこれらに付随した変形例にかかる半導体発光素子は、発光層と反射電極との間の界面のうちの少なくとも１つに第１の凹凸を有し、光取り出し面に第２の凹凸を有する。このため、光取り出し効率および輝度を高めることができる。このような半導体発光素子は、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いられる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０支持基板、２０接合金属層、２２第１金属層、２４第２金属層、２６反射金属層、２８透明導電膜、２９第１電極、３０第１導電形層、３８発光層、４０第２導電形層、４２半導体積層体、４２ａ第１の面、４２ｂ第２の面、４２ｃ第２の凹凸、４６絶縁層、４６ｃ開口部、５０第２電極、５０ａパッド部、５０ｂ細線部

Claims

発光層と、
反射金属層と、前記反射金属層の上に設けられた透明導電膜と、を有する第１電極と、
前記発光層と前記第１電極との間に設けられた第１導電形層と、
前記発光層の側の第１の面と、前記第１の面の反対の側の第２の面とを有する第２導電形層と、
前記第２導電形層の前記第２の面に設けられた第２電極と、
を備え、
前記第１導電形層と前記第１電極との界面は、一方の底角が９０度以上である第１の凹凸を有し、
前記第２導電形層の前記第２の面のうち前記第２電極が設けられない領域は、第２の凹凸を有し、
前記透明導電膜と前記反射金属層との界面は、第３の凹凸を有する半導体発光素子。
発光層と、
反射金属層を有する第１電極と、
前記発光層と前記第１電極との間に設けられた第１導電形層と、
前記発光層の側の第１の面と、前記第１の面の反対の側の第２の面とを有する第２導電形層と、
前記第２導電形層の前記第２の面に設けられた第２電極と、
を備え、
前記第１導電形層と前記反射金属層との間に設けられた界面のうちの少なくとも１つは、一方の底角が９０度以上である第１の凹凸を有し、
前記第２導電形層の前記第２の面のうち前記第２電極が設けられない領域は、第２の凹凸を有する半導体発光素子。
前記第１電極は、前記第１導電形層と、前記反射金属層と、の間に透明導電膜をさらに有する請求項２記載の半導体発光素子。
前記第１の凹凸は、前記第１導電形層と前記透明導電膜との間の界面の少なくとも一部に設けられた請求項３記載の半導体発光素子。
前記第１の凹凸は、前記透明導電膜と前記反射金属層との界面の少なくとも一部に設けられた請求項３記載の半導体発光素子。
前記透明導電膜と前記反射金属層との界面は、第３の凹凸を有する請求項３または４に記載の半導体発光素子。
前記第１導電形層と前記第１電極との間に設けられ、開口部を有する絶縁層をさらに備え、
前記第１電極と、前記第１導電形層と、は、前記開口部において接する請求項２〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
支持基板をさらに備え、
前記第１電極は、前記支持基板と前記反射金属層との間に、前記反射金属層の光反射率よりも低い光反射率を有する接合金属層をさらに有する請求項２から７記載の半導体発光素子。
前記発光層、前記第１導電形層、前記第２導電形層は、Ｉｎ_ｘ（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）、およびＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）、のいずれかを含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
前記第１導電形層のうちの前記第１電極に接する領域はＧａＰからなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
前記第２の凹凸の一方の底角は、９０度以上であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。