JP6042238B2

JP6042238B2 - 発光素子

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Publication number: JP6042238B2
Application number: JP2013047753A
Authority: JP
Inventors: 裕介横林; 竜舞斎藤; 宮地　護; 護宮地
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: JP2014175516A

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子に関する。

発光ダイオードは、通常、成長用基板上に、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層からなる半導体構造層を形成し、半導体構造層上にｎ電極とｐ電極とを形成して作製される。

特許文献１には、ｐ型半導体層上に形成されたｐ電極、ｐ型半導体層側から半導体膜の一部を除去することによって露出したｎ型半導体層上に形成されたｎ電極及びｎ型半導体層に形成されたトレンチを有する半導体発光素子が開示されている。

特開2007-134700号公報

発光素子のｎ電極とｐ電極との間に電圧を印加すると、半導体構造層内を電流が流れ、その際に発光層から光が放出される。半導体構造層内を流れる電流の大きさは、電極間の電気抵抗の大きさによって変動する。また、電極間の電気抵抗の大きさは、電極間の電流路の長さすなわちｎ電極上の任意の点とｐ電極上の任意の点との間の電流路の長さに比例する。例えば、電流路の長さが増大することに伴って電気抵抗が増大し、電極間を流れる電流は減少する。従って、電極間の距離に応じて発光層を通過する電流の大きさにバラつきが発生し、これによって発光層における１の領域と他の領域との間で放出される光の強度にバラつきが発生する。例えば表示用途や照明用途にこのような発光素子を使用すると、輝度ムラが発生してしまう。

特に、半導体構造層の一方の主面側にｎ電極及びｐ電極の両方を形成する構成（以下、横型電極構成と称する場合がある）を有する発光素子においては、上記問題が露呈する。すなわち、横型電極構成の発光素子においては、その電極の配置に起因して、発光層の全体に亘って均一に電流を分配することが困難であった。

例えば、特許文献１に開示された半導体発光素子はｎ電極とｐ電極との間にトレンチを有している。当該トレンチは、ｎ電極とｐ電極との間の短い電流路を遮断し、素子内の電流集中を防止する機能を有している。しかし、特許文献１に記載の半導体発光素子を含めた従来の横型電極構成を有する発光素子は、電極間の高い電気抵抗を有する電流路すなわち長い電流路上の発光層領域における発光強度のバラつきを解決することが困難であった。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、発光層に均一に電流を分配するトレンチを有し、輝度ムラのない高性能の発光素子を提供することを目的としている。

本発明による発光素子は、発光層を含む半導体構造層と、半導体構造層の第１の主面側に形成された第１の電極及び第２の電極と、を有する発光素子であって、第１の主面における第１の電極と第２の電極との間の電極間領域から半導体構造層の電極間領域に対向する第２の主面上の対向領域に向かって、かつ第１の主面における第２の電極の形成領域を囲むように形成され、発光層を貫通する深さを有する第１トレンチと、第１の電極及び第２の電極間の電流に対し、半導体構造層の面内方向において異なる電気抵抗を有する２方向のうち、低い電気抵抗を有する低抵抗方向の電流路の一部を貫通するように、かつ面内方向において第１の電極に重ならないように第２の主面から第１の主面に向かって形成された第２トレンチと、を有し、半導体構造層は、相対的に低い電気抵抗を有する電流路の領域である低抵抗方向領域と、相対的に高い電気抵抗を有する電流路の領域である高抵抗方向領域とに区画され、第２トレンチは、前記低抵抗方向領域に亘って形成され、第２トレンチは、第１トレンチ及び第２トレンチによって形成される電流路の開口部における電気抵抗値が低抵抗方向領域において大となるような位置及び深さで形成されていることを特徴としている。

（ａ）〜（ｃ）は、実施例１の半導体発光素子の構造を説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は、実施例１の半導体発光素子の対向面及び電極形成面を説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は、実施例１の半導体発光素子内を流れる電流を説明する図である。（ａ）〜（ｄ）は、実施例１の半導体発光素子の変形例の構造を説明する断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、実施例１の半導体発光素子の変形例の構造を説明する断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、実施例２の半導体発光素子の構造を説明する図である。（ａ）〜（ｃ）は、実施例３の半導体発光素子の構造を説明する図である。実施例３の半導体発光素子におけるトレンチ間の位置関係を説明する図である。（ａ）〜（ｃ）は、電流路の方向及びその方向領域を区別する手法を説明する図である。

以下においては、説明の便宜上、横型電極構成を有する半導体発光素子の半導体構造層におけるｐ電極及びｎ電極が形成された主面を電極形成面、その反対側の主面を対向面と称する。また、電極形成面におけるｐ電極とｎ電極との間の領域を電極間領域、電極間領域に対向する対向面上の領域を対向領域と称する。

以下の実施例においては、半導体発光素子が上面視において正方形の半導体構造層を有する場合、すなわち半導体構造層の電極形成面及び対向面が正方形の形状を有する場合について説明する。また、ｎ電極が電極形成面における１つの端部領域に設けられ、ｐ電極が電極形成面上の他の領域に設けられている場合について説明する。しかし、半導体構造層の形状及び電極の位置関係は上記に限定されるものではない。

本発明は、ｎ電極とｐ電極との間の半導体構造層内の電流路に対し、半導体構造層の面内方向（半導体構造層に平行な平面内の方向）において相対的に高い電気抵抗を有する高抵抗方向と低い電気抵抗を有する低抵抗方向とが存在することに着目してなされたものである。本発明による種々の実施例及びその変形例に係る半導体発光素子は、半導体構造層内に、当該高抵抗方向及び低抵抗方向に応じた異なる電流路の開口（aperture又はopening）を有するトレンチを有している。当該トレンチは、電極間を流れる電流に対する開口の大きさ、すなわち電流路の開口部の電気抵抗値を制御する。

以下、図９（ａ）を用いて、高抵抗方向、低抵抗方向、高抵抗方向領域及び低抵抗方向領域について簡単に説明する。なお、図９（ａ）は、後述する実施例１に係る半導体発光素子１０の上面視における半導体構造層１１、ｐ電極１４及びｎ電極１５を模式的に示している。

まず、半導体構造層１１に平行な方向におけるｎ電極１５とｐ電極１４上のｎ電極１５からの最遠点との間の異なる２方向の直線を決定する。そして、当該２つの直線のうち、その直線距離が大きい方の方向を高抵抗方向ＨＤ、小さい方の方向を低抵抗方向ＬＤと区別する。

具体的には、半導体構造層１１が正方形の形状を有し、図９（ａ）に示すような電極構成の場合、電極間における半導体構造層１１の面内方向における直線距離は、辺方向が最も短く、対角方向が最も長い。すなわち、辺方向から対角方向に向かって電極間の電流路における電気抵抗が高くなる。従って、半導体構造層１１の面内方向において、辺方向が低抵抗方向ＬＤ、対角方向が高抵抗方向ＨＤと区別することができる。また、図９（ｂ）に示すように、半導体構造層１１は、相対的に低い電気抵抗を有する電流路の領域である低抵抗方向領域１１Ｌ、相対的に低い電気抵抗を有する電流路の領域である高抵抗方向領域１１Ｈに区画することができる。

以下において、図を参照しつつ本発明の実施例に係る半導体発光素子におけるトレンチについて具体的に説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体発光素子１０の斜視図である。半導体発光素子１０は、半導体構造層１１の同一主面側にｐ電極（第１の電極）１４及びｎ電極（第２の電極）１５の両方が形成された横型電極構成を有している。以下においては、説明の便宜上、ｐ電極１４及びｎ電極１５が形成されている側の半導体構造層１１の主面を電極形成面（第１の主面）１２、電極形成面１２の反対側の半導体構造層１１の主面を対向面（第２の主面）１３と称する。電極形成面１２及び対向面１３は、例えば一辺が３５０μｍ又は１ｍｍの長さを有する正方形の形状を有する。

図１（ａ）を参照すると、半導体発光素子１０は、電極形成面１２のｐ電極１４とｎ電極１５との間の領域（電極間領域）１２Ａとその対向する対向面１３の領域（対向領域）１３Ａとの間に設けられた半導体構造層１１の電極間内部領域（以下、単に内部領域と称する）１１Ａに、トレンチ１７及び１８からなる電流路狭窄部１６を有している。

電流路狭窄部１６は、半導体構造層１１内におけるｐ電極１４とｎ電極１５との間の電流に対し、半導体構造層１１の面内方向において異なる電気抵抗を有する２方向のうち、相対的に高い電気抵抗を有する高抵抗方向ＨＤと低い電気抵抗を有する低抵抗方向ＬＤとの間で電流路の開口の大きさが異なるようなトレンチ１７及び１８から構成されている。

第１トレンチ１７は、一定の深さで形成され、第２トレンチ１８は、第１トレンチ１７と第２トレンチ１８によって形成される半導体構造層１１内の電流路の開口部における電気抵抗値が低抵抗方向ＬＤにおいて大となるような位置及び深さで形成されている。

第１トレンチ１７は、ｐ電極１４とｎ電極１５との間の半導体構造層１１の電極形成面１２の電極間領域１２Ａから対向面１３の対向領域１３Ａに向かって、かつ電極形成面１２におけるｎ電極１５の形成領域１５Ａを囲むように形成されている。第１トレンチ１７は、発光層２０を貫通し、半導体構造層１１とｎ電極１５との接触面よりも対向面１３側に至る深さで形成されている。すなわち、第１トレンチ１７の底部は、半導体構造層１１とｎ電極１５との接触面よりも対向面１３に近い位置に形成されている。

第２トレンチは、低抵抗方向ＬＤにおける対向面１３の対向領域１３Ａから電極形成面１２の電極間領域１２Ａに向かって形成されている。第２トレンチ１８は、低抵抗方向ＬＤの電流路の一部を貫通するように対向領域１３Ａから電極間領域１２Ａに向かって形成されている。

第１トレンチ１７及び第２トレンチ１８は、それぞれ半導体構造層１１における電極形成面１２の電極間領域１２Ａ及び対向面１３の対向領域１３Ａに形成された凹部からなる。例えば、第１トレンチ１７は、フォトリソグラフィによって電極形成面１２上にパターニングが施されたマスクを成膜し、反応性イオンエッチングなどの既知の加工方法によって凹部を形成した後、マスクを除去することによって形成される。また、第２トレンチ１８は、対向面１３に対して上記と同様の方法によって形成されることができる。

図１（ｂ）は、図１（ａ）において、半導体発光素子１０を面ＯＰＱＲに沿って切断したときの断面図を示している。なお、面ＯＰＱＲは、半導体構造層１１の辺方向に沿った平面である。なお、後述する面ＳＴＵＶは、半導体構造層１１の対角方向に沿った平面である。面ＯＰＱＲ及び面ＳＴＵＶは、図１（ａ）の一点鎖線によって囲まれた面である。

まず、図１（ｂ）を参照して、半導体構造層１１、ｐ電極１４及びｎ電極１５について説明する。半導体構造層１１は、図１（ｂ）の断面図に示されているように、発光層２０がｎ型半導体層（第２の半導体層）１９とｐ型半導体層（第１の半導体層）２１との間に形成された構造を有している。半導体構造層１１は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成を有している。例えば、ｎ型半導体層１９はｎ−ＧａＮ層、ｐ型半導体層２１はｐ−ＧａＮ層からなり、ｎ型半導体層１９及びｐ型半導体層２１は、それぞれ５μｍ及び１５０ｎｍの層厚を有している。以下においては、半導体構造層１１の電極形成面１２がｐ型半導体層２１の表面からなり、対向面１３がｎ型半導体層１９の表面からなる場合について説明する。

ｐ電極１４は、半導体構造層１１の電極形成面１２上に形成されている。ｐ電極１４は、例えば、ｐ型半導体層２１上にフォトリソグラフィを用いてマスク材料のパターニングを行い、スパッタ法などにより電極材料を形成した後、マスクを除去することによって形成される。ｐ電極１５は、既知の電極材料、例えば、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｕなどを用いて形成される。

ｎ電極１５は、半導体構造層１１の電極形成面１２側から、ｐ型半導体層１４及び発光層１３を貫通し、ｎ型半導体層１１に接続されている。ｎ電極１５は、例えば、半導体構造層１１のｐ型半導体層２１上にｐ電極１４が形成されない領域を設け、当該領域において、ｐ型半導体層２１の表面からｐ型半導体層２１及び発光層２０を貫通してｎ型半導体層１９に至る開口部を形成した後、当該開口部に電極材料を形成することによって形成される。ｎ電極１５は、ｐ電極１４と同様の材料を用いて形成される。

図１（ｂ）は、半導体発光素子１０の低抵抗方向ＬＤにおける断面図を示している。低抵抗方向ＬＤにおいては、半導体構造層１１における電極形成面１２の電極間領域１２Ａから対向面１３の対向領域１３Ａに向かって第１トレンチ１７が形成されており、第１トレンチ１７の形成領域に対向する対向面１３の領域から電極形成面１２の電極間領域１２Ａに向かって第２トレンチ１８が形成されている。

第１トレンチ１７は、電極形成面１２の電極間領域１２Ａからｐ型半導体層２１及び発光層２０を貫通してｎ型半導体層１９の一部に至る深さで形成されている。第２トレンチ１８の底部は、第１トレンチ１７の底部よりも対向面１３側に形成されている。すなわち、第２トレンチ１８は、対向面１３の対向領域１３Ａからｎ型半導体層１９の一部に至って、第１トレンチ１７に達しない深さで形成されている。低抵抗方向ＬＤにおける電流路の開口ＡＰ１は、第１トレンチ１７及び第２トレンチ１８によって画定される。

図１（ｃ）は、図１（ａ）において、半導体発光素子１０を面ＳＴＵＶに沿って切断したときの断面図を示している。図１（ｃ）は、半導体発光素子１０の高抵抗方向ＨＤにおける断面図を示している。高抵抗方向ＨＤにおいては、低抵抗方向ＬＤと同様に第１トレンチ１７が形成されているが、第２トレンチ１８は形成されていない。換言すれば、高抵抗方向ＨＤには第１トレンチ１７のみが形成されている。高抵抗方向ＨＤにおける電流路の開口ＡＰ２は、第１トレンチ１７及び対向面１３によって画定される。

なお、上記した開口ＡＰ１及びＡＰ２については、その開口部の大きさによって電流路の電気抵抗値が変化する。例えば、開口が大きい（開口が広い）ほど開口の電気抵抗は低い。

図２（ａ）は、半導体発光素子１０の対向面１３を対向面１３に垂直な方向から見たとき、すなわち対向面１３の上面視における平面図を示している。上記したように、半導体発光素子１０の対向面１３における対向領域１３Ａの低抵抗方向ＬＤには、第２トレンチ１８が形成されている。具体的には、半導体構造層１１の内部領域１１Ａは、相対的に低い電気抵抗を有する電流路の領域である低抵抗方向領域１１ＡＬと、相対的に高い電気抵抗を有する電流路の領域である高抵抗方向領域１１ＡＨと、に区画される。第２トレンチ１８は、この低抵抗方向領域１１ＡＬに亘って形成されている。また、第２トレンチ１８は、第１トレンチ１７及び第２トレンチ１８によって形成される電流路の開口部における電気抵抗値が低抵抗方向領域１１ＡＬにおいて大となるような位置及び深さで形成されている
図２（ｂ）は、半導体発光素子１０の電極形成面１２を電極形成面１２に垂直な方向から見たとき、すなわち電極形成面１２の上面視における平面図を示している。電極形成面１２の電極間領域１２Ａには、第１トレンチ１６がｎ電極１５を囲むように形成されている。従って、第１トレンチ１７は、内部領域１１Ａにおける低抵抗方向領域１１ＡＬ及び高抵抗方向領域１１ＡＨの両方に形成されている。

図３（ａ）は、低抵抗方向ＬＤにおける半導体構造層１１内の電流路を説明する図である。図３（ａ）及び後述する図３（ｂ）は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）と同様の断面図であるが、電流路の説明のためにハッチングを省略してある。低抵抗方向ＬＤにおいては、第１トレンチ１７及び第２トレンチ１８の両方が成されている。このため、半導体構造層１１内の電流路の開口が小さくなり、開口ＡＰ１を通過する電流路Ｃ１及びＣ２の電気抵抗は第２トレンチ１８がない場合よりも大きくなる。

図３（ｂ）は、高抵抗方向ＨＤにおける半導体構造層１１内の電流路を説明する図である。高抵抗方向ＨＤには、第１トレンチ１７のみが形成されている。従って、高抵抗方向ＨＤにおける電流路の開口ＡＰ２は、低抵抗方向ＬＤにおける開口ＡＰ１よりも大きい。このため、高抵抗方向ＨＤには低抵抗方向ＬＤに比べて電流路の開口部における電気抵抗値が低く、大きな電流が流れやすい。

換言すれば、電流路Ｃ１と電流路Ｃ３が同じ長さであっても、電流路Ｃ１における電気抵抗は電流路Ｃ３における電気抵抗よりも、開口ＡＰ１による電気抵抗の上昇分だけ大きい。同様に、電流路Ｃ２と電流路Ｃ４が同じ長さであっても、電流路Ｃ２における電気抵抗は電流路Ｃ４における電気抵抗よりも、開口ＡＰ１による電気抵抗の上昇分だけ大きいものとなる。従って、例えば、高抵抗方向ＨＤにおける電流路Ｃ５と低抵抗方向ＬＤにおける電流路Ｃ２とを流れる電流の大きさがほぼ同等となるように開口ＡＰ１の大きさを調整することが可能となる。

第１トレンチ１７は、電極形成面１２におけるｎ電極１５の形成領域１５Ａを囲むように形成されている。従って、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、第１トレンチ１７は高抵抗方向ＨＤ及び低抵抗方向ＬＤの両方に形成されている。第１トレンチ１７は、電流路の長さに起因する抵抗の変化率を減ずることができる。すなわち、第１トレンチ１７を導入すると、短い電流路、例えば電極間距離の短い電流路Ｃ１及びＣ３の抵抗の上昇率は、それより長い電流路Ｃ２、Ｃ４及びＣ５における電気抵抗の上昇率よりも大きくなる。従って、電極間距離が最も短い電流路Ｃ１及びＣ３に過度の電流が集中することを抑制することができる。

第１トレンチ１７は、ｎ型半導体層１９の層厚の１０％〜８０％の層厚を有していることが好ましい。第１トレンチ１７がｎ型半導体層１９の１０％未満の層厚を有している場合、比較的短い電流路上に大きな電流が流れてしまい、均一な電流を所定の方向における発光層２０の全体に分配することができないからである。また、第１トレンチ１７がｎ型半導体層１９の８０％を超える層厚を有している場合、電流路の開口が非常に小さくなり、開口部における大幅な抵抗値の上昇、素子の機械的強度の低下などを引き起こすからである。

上記したように、半導体発光素子１０の第１トレンチ１７及び第２トレンチ１８は、発光層２０を含む半導体構造層１１内におけるｐ電極１４からｎ電極１５に向かう電流路の面内方向における方向のうち、相対的に高い電気抵抗を有する高抵抗方向ＨＤと低い電気抵抗を有する低抵抗方向ＬＤとの間で電流路の開口の大きさが異なるように形成されている。従って、発光層２０の全体に均一に電流を分配することができ、均一な発光強度を有する光を発光層２０から放出させることができる。また、低抵抗方向ＬＤ上の電流路と高抵抗方向ＨＤ上の電流路との間の電気抵抗の差が小さいものとなる。従って、発光素子の発光効率が上昇し、駆動電圧を低下させる又は駆動電圧の上昇を最小限に抑えることができる。

なお、第２トレンチ１８は、第１トレンチ１７よりも半導体構造層１１の面内方向においてｎ電極１５に近い位置から、電極間領域１２Ａに向かって形成されていても良い。本実施例の変形例１として、図４（ａ）に、半導体構造層１１の面内方向において第１トレンチ１７よりもｎ電極１５に近い位置（領域１２Ｂ内の位置）に形成された第２トレンチ１８Ａを有し、その他については半導体発光素子１０と同様の構成を有する半導体発光素子１０Ａの低抵抗方向ＬＤにおける断面図を示す。

また、第２トレンチ１８は、第１トレンチ１７よりも半導体構造層１１の面内方向においてｐ電極１４に近い位置から、電極間領域１２Ａに向かって形成されていても良い。本実施例の変形例２として、図４（ｂ）に、半導体構造層１１の面内方向において第１トレンチ１７よりもｐ電極１４に近い位置（領域１２Ｃ内の位置）に形成された第２トレンチ１８Ｂを有し、その他については半導体発光素子１０と同様の構成を有する半導体発光素子１０Ｂの低抵抗方向ＬＤにおける断面図を示す。

また、本実施例においては、第２トレンチ１８が第１トレンチ１７の底部に達しない深さで形成される場合について説明した。しかし、変形例１及び変形例２のように、第２トレンチが第１トレンチ１７よりも面内方向においてｎ電極１５又はｐ電極１４に近い位置（それぞれ領域１２Ｂ又は１２Ｃ内の位置）に形成される場合、第２トレンチは第１トレンチ１７に達する深さで形成されていても良い。すなわち、第２トレンチ１８Ａ及び１８Ｂは、半導体構造層１１の内部領域１１Ａにおいて、第１トレンチ１７の底部を越える深さで形成されていてもよい。

本実施例の変形例３として、図４（ｃ）に、変形例１の第２トレンチ１８Ａが第１トレンチ１７の底部を越える深さで形成された（第２トレンチ１８Ｃを有する）場合の半導体発光素子１０Ｃの低抵抗方向ＬＤにおける断面図を示す。また、本実施例の変形例４として、図４（ｄ）に、変形例２の第２トレンチ１８Ｂが第１トレンチ１７の底部を越える深さで形成された（第２トレンチ１８Ｄを有する）場合の半導体発光素子１０Ｄの低抵抗方向ＬＤにおける断面図を示す。なお、変形例３及び４においては、上記以外は半導体発光素子１０と同様の構成を有している。

変形例１〜４においては、本実施例と同様に、第２のトレンチが、第１トレンチと第２トレンチによって形成される半導体構造層１１内の電流路の開口部における電気抵抗値が低抵抗方向ＬＤ（低抵抗方向領域１１ＡＬ）において大となるような位置及び深さで形成されている。すなわち、いずれも低抵抗方向ＬＤにおける電流路の開口ＡＰ１が高抵抗方向ＨＤにおける電流路の開口ＡＰ２（図１（ｃ）参照）よりも小さい。従って、高抵抗方向ＨＤの電流路には低抵抗方向ＬＤよりも大きな電流が流れることとなる。従って、発光層の全体に均一に電流を分配することができる。

さらに、変形例１〜４においては、本実施例に比べて、第２トレンチにおける対向面１３上の形成位置及び形成深さ（底部位置）の範囲を広く選択することができるという効果を有している。まず、第２トレンチが第１トレンチの形成領域の直上に形成されるようにアライメントを行うことを必要としない。また、第２トレンチの形成深さが第１トレンチの底部の位置に影響されず、半導体構造層を貫通しない範囲で第２トレンチの形成深さ（底部の位置）を変更することができる。従って、上記したこれら変形例は、本実施例に比べて、設計自由度が向上し、かつ歩留りの低減を図ることができる。

また、本実施例においては、第１トレンチ１７及び第２トレンチ１８が凹部からなる場合について説明したが、第１トレンチ１７又は第２トレンチ１８の凹部には、絶縁材料、例えばＳｉＯ₂及びＳｉＮが充填されていてもよい。

本実施例の変形例５として、半導体発光素子１０Ｅの低抵抗方向ＬＤ及び高抵抗方向ＨＤにおける断面図をそれぞれ図５（ａ）及び（ｂ）に示す。半導体発光素子１０Ｅは、それぞれ第１トレンチ及び第２トレンチの凹部に絶縁材料が充填された第１絶縁部２２及び第２絶縁部２３を有することを除いては実施例１の半導体発光素子１０と同様の構成を有している。

本変形例においては、第１トレンチ１７及び第２トレンチ１８を構成する凹部に絶縁材料が充填（埋設）されている。従って、例えば、素子製造中の埃、水分、金属粉などが第１トレンチ及び第２トレンチに侵入することがない。従って、品質の高い半導体発光素子を提供することができる。なお、本変形例（変形例５）は、本実施例（実施例１）のみならず、変形例１〜４、後述する他の実施例及び変形例にも適用することができる。

図６（ａ）は、本発明の実施例２に係る半導体発光素子３０の斜視図である。半導体発光素子３０は、トレンチの構成を除いては実施例１の半導体発光素子１０と同様の構成を有している。半導体構造層３１、ｐ電極３４及びｎ電極３５は、半導体発光素子１０における半導体構造層１１、ｐ電極１４及びｎ電極１５とそれぞれ同様の構成を有している。

半導体発光素子３０は、実施例１の第１トレンチ１７及び第２トレンチ１７と同様の第１トレンチ３７及び第２のトレンチ３８に加え、高抵抗方向ＨＤにおける対向面３３の対向領域３３Ａから電極形成面３２の電極間領域３２Ａに向かって形成された第３トレンチ３９を有している。第３トレンチ３９は、高抵抗方向ＨＤの電流路の一部を貫通するように形成されている。ただし、第３トレンチ３９は、その底部が第２トレンチ３８の底部よりも対向面３３側に形成されている。すなわち、第３トレンチ３９は、第２トレンチ３９よりも浅く形成されている。第３トレンチ３９は、形成深さを除いては第２トレンチ３８と同様の手法を用いて形成された凹部からなる。

図６（ａ）に示すように、第３トレンチ３９は、その側面において第２トレンチ３８の側面に接続されている。すなわち、第２トレンチ３８及び第３トレンチ３９は、低抵抗方向ＬＤと高抵抗方向ＨＤとで深さが異なる一連のトレンチを形成しているともいえる。

図６（ｂ）は、半導体発光素子３０の低抵抗方向ＬＤにおける断面図である。半導体発光素子３０は、低抵抗方向ＬＤにおいては第１トレンチ３７及び第２トレンチ３８を有している。半導体発光素子３０は、低抵抗方向ＬＤについては半導体発光素子１０と同様の構成を有するため、詳細な説明は省略する。

図６（ｃ）は、半導体発光素子３０の高抵抗方向ＨＤにおける断面図である。半導体発光素子３０は、高抵抗方向ＨＤにおいては、第１トレンチ３７と、第１トレンチ３７の形成領域に対向する対向面３３の領域から形成され、かつ第２トレンチ３８よりも浅い第３トレンチ３９と、を有している。従って、低抵抗方向ＬＤにおける電流路の開口ＡＰ１に比べて高抵抗方向ＨＤにおける電流路の開口ＡＰ２が大きい。

半導体発光素子３０は、実施例１とは異なり、電極形成面３２の電極間領域３２Ａから対向面３３に向かって形成された第１トレンチ３９と、対向領域３３Ａから互いに異なる深さで形成された第２トレンチ３８及び第３トレンチ３９と、を有している。従って、第３トレンチ３９の深さを変更することによって、電極間の電流路の開口をより厳密に調節することができる。

本実施例は、実施例１に対する変形例１及び２と同様に、第３トレンチ３９は、第２トレンチ３８よりも浅く形成されていれば、様々な対向面３３上の対向領域３３Ａから形成することができる。例えば、第２トレンチ３８及び第３トレンチ３９の両方が半導体構造層３１の面内方向において第１トレンチ３７よりもｎ電極３５に近い位置に形成されていてもよい。また、第２トレンチ３８が第１トレンチ３７よりもｎ電極３５に近い位置に形成され、第３トレンチ３９が第１トレンチ３７よりもｐ電極３４に近い位置に形成されていてもよい。

また、実施例１に対する変形例３及び４と同様に、第３トレンチ３９は、第１トレンチ３７よりも面内方向においてｎ電極３４又はｐ電極３５に近い位置に形成される場合、第２トレンチ３８よりも浅く形成される範囲内で、第１トレンチ３７の底部を越える深さで形成されていてもよい。例えば、第２トレンチ３８及び第３トレンチ３９の両方が、第１トレンチ３７の底部に達しない深さで形成されていてもよい。また、第２トレンチ３８が第１トレンチ３７に達する深さで形成され、第３トレンチ３９が第１トレンチ３７に達しない深さで形成されていてもよい。

図７（ａ）は、本発明の実施例３に係る半導体発光素子５０の斜視図である。半導体発光素子５０は、トレンチの構成を除いては実施例１の半導体発光素子１０と同様の構成を有している。半導体構造層５１、ｐ電極５４及びｎ電極５５は、半導体発光素子１０における半導体構造層１１、ｐ電極１４及びｎ電極１５とそれぞれ同様の構成を有している。

半導体発光素子５０は、実施例１の第１トレンチ１７及び第２トレンチ１７と同様の第１トレンチ５７及び第２トレンチ５８に加え、高抵抗方向ＨＤにおける対向面５３の対向領域５３Ａから電極形成面５２の電極間領域５２Ａに向かって形成された第４トレンチ５９を有している。第４トレンチは、高抵抗方向ＨＤの電流路の一部を貫通するように形成されている。ただし、第４トレンチ５９は、第２トレンチ５８よりも、半導体構造層５１の面内方向において第１トレンチ５７から離れて形成されている。すなわち、第４トレンチ５９と第１トレンチ５７との間の半導体構造層５１に平行な面内における距離は、第２トレンチ５８と第１トレンチ５７との間の半導体構造層５１に平行な面内における距離よりも大きい。

図７（ａ）に示すように、第４トレンチ５９は、その側面において第２トレンチ５８の側面に接続されている。すなわち、第２トレンチ５８及び第４トレンチ５９は、低抵抗方向ＬＤと高抵抗方向ＨＤとで形成位置が異なる一連のトレンチを形成しているともいえる。

図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示すように、半導体構造層５１の面内方向における第１トレンチ５７から第２トレンチ５８までの距離Ｄ１と、第１トレンチ５７から第４トレンチ５９までの距離Ｄ２と、の間には、Ｄ１＜Ｄ２の関係が成り立つ。半導体発光素子５０の上面視における第１トレンチ５７、第２トレンチ５８及び第４トレンチ５９の位置関係を図８に模式的に示す。

半導体発光素子５０は、実施例１とは異なり、半導体構造層５１の電極間領域５２に第１トレンチ５９と、第１トレンチ５９との面内方向における距離が互いに異なる第２トレンチ５８及び第４トレンチ５９と、を有している。第４トレンチ５９は、第２トレンチ５８と同じ深さを有している。従って、第２トレンチ５８及び第４トレンチ５９を形成するパターニングのマスクを用いて、一回のプロセスにて第２トレンチ５８及び第４トレンチ５９の両方を形成することができるという効果を有している。また、第４トレンチ５９の形成領域を調節することによって、電極間の電流路の開口をより厳密に調節することができるという効果を有している。

本実施例においては、第２トレンチ５８及び第４トレンチ５９の両方が半導体構造層５１の面内方向において第１トレンチ５７よりもｎ電極５５に近い位置に形成されている場合について説明した。しかし、第４トレンチ５９は、第２トレンチ５８よりも第１トレンチ５７との面内方向における距離が大きい範囲内で、対向領域５３の様々な位置から形成されることができる。例えば、第２トレンチ５８及び第４トレンチ５９の両方が第１トレンチ５７よりもｐ電極５４に近い位置に形成されていてもよい。また、第２トレンチ５８が第１トレンチ５７よりもｐ電極５４に近い位置に形成され、第４トレンチ５８が第１トレンチ５７よりもｎ電極５５に近い位置に形成されていてもよい。また、第２トレンチ５８が第１トレンチ５７の直上に設けられ、第４トレンチ５９は面内方向において第１トレンチ５７から離れて形成されていてもよい。

また、本実施例においては、実施例１に対する変形例３及び４と同様に、第２トレンチ５８及び第４トレンチ５９が第１トレンチ５７よりもｐ電極５４又はｎ電極５５に近い位置に形成される場合、第２トレンチ５８及び第４トレンチ５９は、第１トレンチ５７の底部を越える深さで形成されていてもよい。

上記の実施例においては、正方形の形状の主面を有する半導体構造層を有する場合について説明したが、半導体構造層の主面の形状は正方形に限定されるものではない。例えば、半導体構造層の主面は、長方形、多角形状及び円形状を有していてもよい。いずれの形状の半導体構造層を有する場合であっても、高抵抗方向と低抵抗方向との間で電流路の開口が異なるトレンチを形成することによって、発光層に均一に電流を分配することができる。従って、輝度ムラのない高発光効率の発光素子を提供することができる。

また、上記の実施例においては、半導体構造層を高抵抗方向及び低抵抗方向の２つの方向の領域に区別し、それぞれの方向領域における電流路の開口の大きさが異なるようにトレンチを形成する場合について説明したが、半導体構造層は高抵抗方向及び低抵抗方向の２つの方向に区別することに限定されない。例えば、半導体構造層を高抵抗方向、中抵抗方向及び低抵抗方向の３つの方向の領域に区画し、それぞれの方向領域において電流路の開口の大きさが異なるトレンチを形成してもよい。さらに、半導体構造層を４つ以上の方向の領域に区画した上で、より詳細に電流路の開口を制御するトレンチを形成することも可能である。方向領域の区別及び電流路の開口の大きさの制御をより厳密に行うことにより、発光層へ分配する電流の大きさをより均一化することが可能となる。

また、上記の実施例においては、第２トレンチ、第３トレンチ及び第４トレンチは、半導体構造層の電極間内部領域において、対向領域から電極間領域に向かって形成されている場合について説明したが、第２〜第４トレンチは対向領域から電極間領域に向かって形成されていなくてもよい。例えば、第２〜第４トレンチは、面内方向においてｎ電極に重なるように対向面から電極形成面に向かって（すなわち電極形成面におけるｎ電極の形成領域に対向する対向面上の位置からｎ電極の形成領域に向かって）形成されている場合であっても一定の効果を得ることができる。しかし、第２〜第４トレンチは、面内方向においてｐ電極に重ならないように形成されていることが好ましい。第２〜第４トレンチが面内方向においてｐ電極に重なるように形成されていると、比較的短距離の電流路に電流が集中する可能性があるからである。すなわち、第２トレンチ、第３トレンチ及び第４トレンチは、面内方向においてｐ電極に重ならないように対向面から電極形成面に向かって形成されていることが好ましい。

上記したように、発光層を含む半導体構造層と、半導体構造層の第１の主面側に第１の電極及び第２の電極の両方が形成されている構成を有し、半導体構造層内に第１トレンチ及び第２トレンチを有し、第１トレンチ及び第２トレンチは、第１の電極から第１の電極に向かう面内方向の電流路の方向のうち、相対的に高い電気抵抗を有する高抵抗方向と低い電気抵抗を有する低抵抗方向との間で電流路の開口の大きさが異なるように形成されている。従って、半導体構造層内の電流密度の分布を均一化することができ、発光層から均一な発光強度を有する光を放出させることができる。

１０、３０、５０半導体発光素子
１１、３１、５１半導体構造層
２０発光層
１４、３４、５４ｐ電極
１５、３５、５５ｎ電極
１７、３７、５７第１トレンチ
１８、３８、５８第２トレンチ
３９第３トレンチ
５９第４トレンチ
ＨＤ高抵抗方向
ＬＤ低抵抗方向
１１Ｈ、１１ＡＨ高抵抗方向領域
１１Ｌ、１１ＡＬ低抵抗方向領域

Claims

発光層を含む半導体構造層と、前記半導体構造層の第１の主面側に形成された第１の電極及び第２の電極と、を有する発光素子であって、
前記第１の主面における前記第１の電極と前記第２の電極との間の電極間領域から前記半導体構造層の前記電極間領域に対向する第２の主面上の対向領域に向かって、かつ前記第１の主面における前記第２の電極の形成領域を囲むように形成され、前記発光層を貫通する深さを有する第１トレンチと、
前記第１の電極及び前記第２の電極間の電流に対し、前記半導体構造層の面内方向において異なる電気抵抗を有する２方向のうち、低い電気抵抗を有する低抵抗方向の電流路の一部を貫通するように、かつ前記面内方向において前記第１の電極に重ならないように前記第２の主面から前記第１の主面に向かって形成された第２トレンチと、を有し、
前記半導体構造層は、相対的に低い電気抵抗を有する電流路の領域である低抵抗方向領域と、相対的に高い電気抵抗を有する電流路の領域である高抵抗方向領域とに区画され、
前記第２トレンチは、前記低抵抗方向領域に亘って形成され、
前記第２トレンチは、前記第１トレンチ及び前記第２トレンチによって形成される電流路の開口部における電気抵抗値が前記低抵抗方向領域において大となるような位置及び深さで形成されていることを特徴とする発光素子。
前記第１トレンチは一定の深さを有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記第２トレンチは、前記対向領域から前記電極間領域に向かって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
前記第１トレンチ及び前記第２トレンチには絶縁材料が充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の発光素子。
前記第１の主面及び前記第２の主面は、矩形形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の発光素子。
前記低抵抗方向よりも高い電気抵抗を有する高抵抗方向の電流路の一部を貫通するように、かつ前記面内方向において前記第１の電極に重ならないように前記第２の主面から前記第１の主面に向かって形成された第３トレンチを有し、前記第３トレンチは、前記第２トレンチよりも浅く形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の発光素子。
前記低抵抗方向よりも高い電気抵抗を有する高抵抗方向の電流路の一部を貫通するように、かつ前記面内方向において前記第１の電極に重ならないように前記第２の主面から前記第１の主面に向かって形成された第４トレンチを有し、前記第４トレンチは、前記第２トレンチよりも、前記半導体構造層の面内方向において第１トレンチから離れて形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の発光素子。