JP6165517B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子に関する。

発光ダイオードなどの半導体発光素子は、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、長い電流路を有するｐ電極の任意の点は、短い電流路を有するｐ電極上の任意の点よりも電流路の電気抵抗が高いため、ｐ電極から半導体構造層内に流入する電流が相対的に少なくなる。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、一定の電気抵抗を加えることで長い電流路と短い電流路の電気抵抗差を減じ、素子内の電流集中を防止する機能を有している。しかし、近年では発光素子の大型化や形状の複雑化に伴い、長い電流路と短い電流路の長さの差、すなわち電気抵抗のバラつきが大きくなり、従来のように一定深さのトレンチを加えるのみでは十分に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になってきた。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、発光層すなわち各電流路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、第１の導電型を有する第１の半導体層、第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する第２の半導体層並びに第１及び第２の半導体層間に形成された発光層を含み、第１の半導体層の表面を第１の主面とする半導体構造層と、半導体構造層の第１の半導体層の表面上に形成されかつ金属材料からなる第１の電極と、第１の半導体層の表面から第１の半導体層及び発光層を貫通して第２の半導体層に接続されかつ金属材料からなる第２の電極と、を有し、第１の主面を実装面とするフリップチップ型の発光素子であって、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の主面に向かって、全体として第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トレンチ及び第２トレンチを有し、半導体構造層内における第１の電極及び第２の電極間の電流の方向は、半導体構造層の面内方向において相対的に低い電気抵抗を有する電流方向である低抵抗方向と、相対的に高い電気抵抗を有する電流方向である高抵抗方向との少なくとも２つに区別され、半導体構造層は、低抵抗方向に沿った領域である低抵抗方向領域と、高抵抗方向に沿った領域である高抵抗方向領域との少なくとも２つに区画され、第１トレンチは低抵抗方向領域に亘って形成され、第２トレンチは高抵抗方向領域に亘って形成され、第２トレンチは第１トレンチよりも深く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。 実施例１の半導体発光素子の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の電流路を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例１の変形例に係る半導体発光素子の変形例の構造を説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施例２の半導体発光素子の構造を説明する断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例２の変形例に係る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２の変形例に係る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。 （ａ）は実施例３の半導体発光素子におけるトレンチの位置関係を説明する図であり、（ｂ）及び（ｃ）は実施例３の半導体発光素子内の電流路を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）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。また、発光素子は電極形成面を実装基板等への設置面とする、いわゆるフリップチップ型の実装形態を適用した場合について説明する。しかし、半導体構造層の形状、電極の位置関係及び発光素子の実装形態は上記に限定されるものではない。例えば、ｎ電極が電極形成面の複数の領域に形成され、ｐ電極が他の領域に形成されていてもよい。

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沿った電流路の長さに応じた異なる電流路の開口（aperture又はopening）を形成するトレンチを有している。当該トレンチは、電流路の開口を小さくすることで特定の電流拡散方向に沿った電流路に対して任意の電気抵抗を付加し、各電流路に分配する電流の量を制御する。

以下、図１０（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１０（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の上面視において、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が上面視において正方形の形状を有し、図１０（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、対角方向におけるｐ電極１４の最遠点とｎ電極との間の直線距離は、辺方向におけるｐ電極１４の最遠点とｎ電極との間の直線距離よりも長い。従って、辺方向よりも対角方向の方が長い電流路を有し、辺方向よりも対角方向の電流路の方が高い電気抵抗を有することとなる。従って、電極間の電流の方向は、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１０（ｂ）に示すように、半導体構造層１１は、低抵抗方向ＬＤに沿った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、高抵抗方向ＨＤに沿った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。すなわち、高抵抗方向領域１１Ｈは、低抵抗方向領域１１Ｌに比べて、領域内における電流路の長さの差、すなわち領域内における電流路の電気抵抗の差が大きい領域である。

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、第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７を有している。

第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７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との間で形成深さが異なるように構成されている。

第１トレンチ１６は、低抵抗方向ＬＤにおいて、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に向かって形成されている。第２トレンチ１７は、高抵抗方向ＨＤにおいて、電極間領域１２Ａから対向領域１３Ａに向かって形成されている。第２トレンチ１７は、第１トレンチ１６よりも深く形成されている。

第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７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に形成された凹部からなる。第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７、例えば、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。

具体的には、まず第１トレンチ１６の深さに対応するトレンチを上記手法によって電極形成面１２の電極間領域１２Ａに形成する。この際、第２トレンチ１７を形成する位置にも第１トレンチ１６と同じ深さを有するトレンチが形成される。その後、フォトリソグラフィによって第２トレンチ１７を形成する位置に対応するマスクを形成し、エッチングによって第２トレンチ１７の深さに至るまで半導体構造層１１を加工し、マスクを除去する。第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７は、例えばこのように２つのプロセスによって形成することができる。

なお、第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７は、マスクの開口部の幅を変えることによって、１つのプロセスによって形成することができる。具体的には、半導体構造層１１の電極形成面１２に、第２トレンチ１７に対応する開口部の幅が第１トレンチ１６に対応する開口部の幅よりも小さくなるように構成されたマスクを成膜する。当該マスクの開口部の幅が小さい部分（第２トレンチ１７を形成する部分）は、開口部の幅が大きい部分（第１トレンチ１６を形成する部分）よりもエッチングが速く進む。従って、上記したようなマスクを用いてエッチングを行うと、第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７（深さの異なるトレンチ）が１つのプロセスによって形成される。

なお、上記した開口部の幅が異なるマスクを使用して第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７を形成する場合、形成される第１トレンチ１６と第２トレンチ１７との幅が異なる場合がある。すなわち、第１トレンチ１６よりも第２トレンチの方が小さい幅を有する。しかし、半導体構造層１１の電流路を当該トレンチによって部分的に遮断する機能を果たすことができれば、トレンチの幅は異なっていても良い。従って、上記した１つのプロセスに限らず、２つのプロセスによってトレンチを形成する場合においても、トレンチの幅は異なっていても良い。

図１（ａ）に示すように、第１トレンチ１６は、その側面において第２トレンチ１７の側面に接続されている。すなわち、第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７は、電極間領域１２Ａに形成され、かつ低抵抗方向ＬＤと高抵抗方向ＨＤとで深さが異なる一連の電極側トレンチを形成している。

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平面である。

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１９がｎ型半導体層（第２の半導体層）１８とｐ型半導体層（第１の半導体層）２０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１８はｎ−ＧａＮ層、ｐ型半導体層２０はｐ−ＧａＮ層からなり、ｎ型半導体層１８及びｐ型半導体層２０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２０の表面からなり、対向面１３がｎ型半導体層１８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２０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側に形成されており、電極形成面１２からｐ型半導体層２０及び発光層１９を貫通し、ｎ型半導体層１８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２０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２０の表面からｐ型半導体層２０及び発光層１９を貫通してｎ型半導体層１８に至る凹部を形成した後、当該凹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１６が形成されている。第１トレンチ１６は、電極形成面１２の電極間領域１２Ａからｐ型半導体層２０及び発光層１９を貫通してｎ型半導体層１８の一部に至る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１６及び対向面１３によって形成される。

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、電極間領域１２Ａから対向領域１３Ａに向かって第２トレンチ１７が形成されている。第２トレンチ１７は、第１トレンチ１６よりも深く形成されている。第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７は、その底部が半導体構造層１１とｎ電極１５との接触面１５Ｂよりも対向面１３側に形成されるように構成されている。高抵抗方向ＨＤにおける電流路の開口ＡＰ２は、第２トレンチ１７及び対向面１３によって形成される。

図２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。図２に示すように、半導体構造層１１の電極間内部領域１１Ａは、低抵抗方向ＬＤに沿った相対的に低い電気抵抗を有する領域である低抵抗方向領域１１ＡＬと、高抵抗方向ＨＤに沿った相対的に高い電気抵抗を有する領域である高抵抗方向領域１１ＡＨと、に区画される。第１トレンチ１６は、この低抵抗方向領域１１ＡＬに亘って形成され、第２トレンチ１７は、高抵抗方向領域１１ＡＨに亘って形成されている。また、第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７は、全体として電極形成面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。

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。また、電流路の一例を破線で示している。実際の発光素子では電流路の始点はｐ電極１４上に無数に、また連続して存在するが、説明の容易さのため、ｐ電極１４上に任意の間隔で存在する複数の電流路を取り上げて説明する。

図３（ａ）に図示した電流路Ｃ１及び図３（ｂ）に図示した電流路Ｃ３は、それぞれ低抵抗方向ＬＤ及び高抵抗方向ＨＤにおけるｎ電極１５に最も近いｐ電極１４上の点からｎ電極１５に向かう電流路を模式的に示している。同様に、図３（ａ）に図示した電流路Ｃ２及び図３（ｂ）に図示した電流路Ｃ４は、それぞれ低抵抗方向ＬＤ及び高抵抗方向ＨＤにおけるｎ電極１５から最も遠いｐ電極１４上の点からｎ電極１５に向かう電流路を模式的に示している。

低抵抗方向ＬＤにおいては、第１トレンチ１６が形成されている。このため、電流路Ｃ１は、図３（ａ）に示すように、半導体構造層１１内を大きく迂回するような経路となる。従って、電流路Ｃ１は、第１トレンチ１６が形成されていない場合に比べて、大幅に長い電流路となる。一方、電流路Ｃ２の長さは、第１トレンチ１６の影響を受けにくく、第１トレンチ１６によって長くなりにくい。従って、第１トレンチ１６によって、電流路Ｃ１及びＣ２の長さ、すなわち、電流路Ｃ１及びＣ２を流れる電流の電気抵抗値がほぼ同じとなる。従って、低抵抗方向ＬＤ内においてほぼ同じ量の電流が分配される。

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においては、低抵抗方向ＬＤに比べて、最も短い電流路と最も長い電流路との長さの差、すなわち、電流路Ｃ３及びＣ４間の長さの差が大きくなる。従って、高抵抗方向ＨＤにおいては、低抵抗方向ＬＤよりも電流路の電気抵抗値が大きくばらつく。

高抵抗方向ＨＤには、第１トレンチ１６よりも深い第２トレンチ１７が形成されている。このため、電流路Ｃ３が低抵抗方向ＬＤにおける電流路Ｃ１よりも大幅に長くなり、電流路Ｃ３及びＣ４の長さの差、すなわち電気抵抗値の差が低減される。低抵抗方向ＬＤに形成された第１トレンチ１６よりも広範囲に亘って電流供給を均一化することが可能になっている。従って、電流路の長さの差が大きい高抵抗方向ＨＤ内における電流供給も均一化される。

図３（ａ）及び図３（ｂ）からわかるように、低抵抗方向ＬＤの第１トレンチ１６よりも高抵抗方向ＨＤの第２トレンチ１７を深く形成することによって、低抵抗方向ＬＤ及び高抵抗方向ＨＤの各々について同一方向内の電流供給を均一化することができる。また、各方向の電気抵抗に応じて異なる深さのトレンチを形成しているため、単純に一定深さのトレンチを形成する場合に比べて付加する電気抵抗を小さく抑えることができる。

なお、本実施例においては、第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７が凹部からなる場合について説明したが、第１トレンチ１６又は第２トレンチ１７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。

本実施例の変形例として、半導体発光素子１０Ａ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４（ａ）及び（ｂ）に示す。半導体発光素子１０Ａ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１６及び第２トレンチ１７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、本変形例は、本実施例（実施例１）のみならず、後述する他の実施例及び変形例におけるトレンチにも適用することができる。

図５（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１６及び第２トレンチ１７と同様の第１トレンチ３６及び第２のトレンチ３７に加え、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３８及び第４トレンチ３９を有している。第３トレンチ３８は低抵抗方向ＬＤ（低抵抗方向領域）において電極形成面３２におけるｎ電極３５の形成領域３５Ａを囲むように形成されている。第４トレンチ３９は高抵抗方向ＨＤ（高抵抗方向領域）において電極形成面３２におけるｎ電極３５の形成領域３５Ａを囲むように形成されている。第３トレンチ３８及び第４トレンチ３９は、第１トレンチ３６及び第２トレンチ３７と同様の手法を用いて対向領域３３Ａに形成された凹部からなる。

図５（ａ）に示すように、第３トレンチ３８は、その側面において第４トレンチ３９の側面に接続されている。すなわち、第３トレンチ３８及び第４トレンチ３９は、対向領域３３Ａに形成され、かつ低抵抗方向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。従って、本実施例の半導体発光素子３０は、電極間領域３２Ａから対向領域３３Ａに向かって異なる深さで形成された一連の電極側トレンチ（第１トレンチ３６及び第２トレンチ３７）と、対向領域３３Ａから電極間領域３２Ａに向かって形成された一連の対向面側トレンチ（第３トレンチ３８及び第４トレンチ３９）と、を有している。

図５（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３６及び第３トレンチ３８を有している。第３トレンチ３８は、半導体構造層３１の面内方向において第１トレンチ３６に重なるように形成されている。半導体構造層３１の電極間内部領域３１Ａは、低抵抗方向ＬＤにおいては、第１トレンチ３６及び第３トレンチ３８によって形成された相対的に小さな電流路の開口ＡＰ１、すなわち第１トレンチ３６及び第３トレンチ３８によって電流路が狭窄されて形成された相対的に小さな電流路狭窄部を有している。

図５（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２トレンチ３７及び第４トレンチ３９を有している。第２トレンチ３７は第１トレンチ３６よりも深く形成され、第４トレンチ３９は第３トレンチ３８よりも浅く形成されている。第４トレンチ３９は、半導体構造層３１の面内方向において第２トレンチ３７に重なるように形成されている。半導体構造層３１の電極間内部領域３１Ａは、高抵抗方向ＨＤにおいては、第２トレンチ３７及び第４トレンチ３９によって形成された相対的に大きな電流路の開口ＡＰ２、すなわち第２トレンチ３７及び第４トレンチ３９によって電流路が狭窄されて形成された低抵抗方向ＬＤよりも大きな電流路狭窄部を有している。

図５（ｂ）及び図５（ｃ）からわかるように、高抵抗方向ＨＤにおける電流路の開口ＡＰ２は、低抵抗方向ＬＤにおける電流路の開口ＡＰ１よりも大きい。従って、高抵抗方向ＨＤ（高抵抗方向領域）における電流路の開口ＡＰ２の電気抵抗値は低抵抗方向ＬＤ（低抵抗方向領域）における電流路の開口ＡＰ１の電気抵抗値よりも小さい。従って、低抵抗方向ＬＤと高抵抗方向ＨＤとの電気抵抗の差を小さくすることができる。

半導体発光素子３０は、電極間領域３２Ａに形成され、互いに異なる深さを有する第１トレンチ３６及び第２トレンチ３７を有している。従って、第１トレンチ３６及び第２トレンチ３７によって同一方向（それぞれ低抵抗方向ＬＤ及び高抵抗方向ＨＤ）内の電流供給を均一化することができる。高抵抗方向ＨＤには低抵抗方向ＬＤよりも遠方まで電流路が配置されているため、発光素子内の各電流路に同量の電流を供給するには高抵抗方向ＨＤにも多くの電流を分配する必要がある。半導体発光素子３０は、対向領域３３Ａに形成され、互いに異なる深さを有する第３トレンチ３８及び第４トレンチ３９を有しており、それぞれ電流路の開口ＡＰ１及び開口ＡＰ２を形成している。開口ＡＰ１を開口ＡＰ２に対して小さくすることで低抵抗方向ＬＤの電気抵抗を選択的に高くできる。従って、低抵抗方向ＬＤよりも高抵抗方向ＨＤの方に大きな電流を流すことも可能になる。

本実施例においては、第３トレンチ３８及び第４トレンチ３９が電極間内部領域３１Ａに形成される場合について説明したが、第３トレンチ及び第４トレンチは、電極間内部領域３１Ａに形成されていなくてもよい。第３トレンチ及び第４トレンチは、対向面３３において半導体構造層３１の上面視におけるｐ電極３４に重ならないような位置に形成されていることが好ましい。例えば、第３トレンチ又は第４トレンチは、半導体構造層３１の上面視においてｎ電極３５に重なるように対向面３３から電極形成面３２に向かって形成されていてもよい。また、第３トレンチ又は第４トレンチは、第１トレンチ及び第２トレンチよりも面内方向においてｐ電極３４側に形成されていてもよい。

また、本実施例においては、第３トレンチ及び第４トレンチが半導体構造層の上面視においてそれぞれ第１トレンチ及び第２トレンチに重なるように（各トレンチの直上に）形成される場合について説明したため、第３トレンチ及び第４トレンチはいずれも第１トレンチの底部を越えない形成深さを有している。しかし、第３トレンチ及び第４トレンチがそれぞれ第１トレンチ及び第２トレンチの直上以外の領域（位置）に形成される場合、第３トレンチ及び第４トレンチは、第１トレンチ又は第２トレンチの底部を越えて形成されていてもよい。例えば、第３トレンチ及び第４トレンチは、第１トレンチの底部を越えて形成されていてもよい。すなわち、第３トレンチ及び第４トレンチの底部が第１トレンチの底部よりも電極形成面側に形成されていてもよい。

また、本実施例においては、第４トレンチが形成される場合について説明したが、第４トレンチは、形成されなくてもよい。例えば、低抵抗方向ＬＤと高抵抗方向ＨＤとの間で所望の大きさ及びその差を有する電流路の開口を構成することができる場合、第４トレンチが形成されなくてもよい。すなわち、第４トレンチの深さはゼロであってもよい。

また、第３トレンチ及び第４トレンチが互いに異なる深さを有する場合について説明したが、第３トレンチ及び第４トレンチの深さ関係はこれに限らない。例えば、互いの形成位置によって高抵抗方向ＨＤにおける電流路の開口ＡＰ２を低抵抗方向ＬＤにおける電流路の開口ＡＰ１よりも大きくすることができる場合、第３トレンチ及び第４トレンチは同じ深さを有していても良い。

上記した第３トレンチ及び第４トレンチの変形例の一例（変形例１）として、半導体構造層３１の上面視においてｎ電極に重なるように対向面３３に形成され、かつ第１トレンチ１６及び第２トレンチ１７の底部を越えて形成された第３トレンチ３８Ａ及び第４トレンチ３９Ａを有する半導体発光素子３０Ａの斜視図を図６（ａ）に示す。半導体発光素子３０Ａは、第３トレンチ及び第４トレンチの位置及び深さを除いては半導体発光素子３０と同様の構成を有している。第３トレンチ３８Ａは低抵抗方向ＬＤにおける電流路の一部を貫通するように、第４トレンチ３９Ａは高抵抗方向ＨＤにおける電流路の一部を貫通するように形成されている。第３トレンチ３８Ａは第４トレンチ３９Ａと同一の深さで形成されている。

半導体発光素子３０Ａの上面視における第１トレンチ３６、第２トレンチ３７、第３トレンチ３８Ａ及び第４トレンチ３９Ａの位置関係を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）は、半導体発光素子３０Ａの上面視における半導体構造層３１及び各トレンチを示した図である。理解の容易さのため、ｎ電極３４及びｐ電極３５を破線で示し、各トレンチにはハッチングを施してある。図６（ｂ）に示すように、第３トレンチ３８Ａ及び第４トレンチ３９Ａは、半導体構造層３１の面内方向においてｎ電極３５に重なるような対向面３３上の位置に形成されている。また、第１トレンチ３６と第３トレンチ３８Ａとの間の面内方向における距離Ｄ１は、第２トレンチ３７と第４トレンチ３９Ａとの間の面内方向における距離Ｄ２よりも小さい。

また、第３トレンチ及び第４トレンチの他の変形例（変形例２）による半導体発光素子３０Ｂの斜視図を図７（ａ）に示す。半導体発光素子３０Ｂは、第３トレンチ及び第４トレンチの構成を除いては半導体発光素子３０と同様の構成を有している。半導体発光素子３０Ｂは、半導体構造層３１の面内方向において第１トレンチ３６よりもｐ電極３４に近い位置に形成された第３トレンチ３８Ｂを有している。半導体発光素子３０Ｂは第４トレンチを有していない。

図７（ａ）に示すように、第３トレンチ３８Ｂは、半導体構造層３１の面内方向において第１トレンチ３６よりもｐ電極３４に近い側の対向面３３の領域から電極形成面３２に向かって、第１トレンチ３６の底部を越えて形成されている。

半導体発光素子３０Ｂの上面視における第１トレンチ３６、第２トレンチ３７及び第３トレンチ３８Ｂの位置関係を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）は、半導体発光素子３０Ｂにおける図６（ｂ）と同様の図である。各トレンチの領域にはハッチングが施してある。図７（ｂ）に示すように、第３トレンチ３８Ｂは、第１トレンチ３６よりも面内方向においてｐ電極３４に近い側に、かつ面内方向においてｐ電極３４に重ならないように形成されている。

本実施例及び変形例においては、高抵抗方向ＨＤにおける第２トレンチ及び第４トレンチによって形成される電流路の開口ＡＰ２が、低抵抗方向ＬＤにおける第１トレンチ及び第３トレンチによって形成される電流路の開口ＡＰ１よりも大きく形成されている。換言すれば、第３トレンチ及び第４トレンチは、第１トレンチ及び第３トレンチによって形成される低抵抗方向領域の電流路の開口における電気抵抗値が、第２トレンチ及び第４トレンチによって形成される高抵抗方向領域の電流路の開口における電気抵抗値よりも大きくなるような位置及び深さで形成されている。低抵抗方向ＬＤよりも高抵抗方向ＨＤにおける電流路の開口における電気抵抗値が小さい。従って、高抵抗方向ＨＤに大きな電流路を供給することができ、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、実施例１と同様に、同一方向内の電流供給を均一化することができる。

また、本変形例においては、第１トレンチ及び第３トレンチ、並びに第２トレンチ及び第４トレンチの形成位置を面内方向でずらすことができる。これにより、第３トレンチ及び第４トレンチの深さ同一とすることができ、第１トレンチと第３トレンチとの距離Ｄ１、並びに第２トレンチと第４トレンチとの距離Ｄ２を連続的に変化させることもできる。従って、設計自由度と製造容易性が増すとともに、歩留りの低下を図ることができる。

なお、図示及び説明した第３トレンチ及び第４トレンチの形成位置及び形成深さは例示に過ぎず、他の構成及びその組合せも適用することが可能である。

図８（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１８と同様の第１トレンチ５７及び第２トレンチ５８と、実施例２の第３トレンチ３８及び第４トレンチ３９と同様の第３トレンチ５８及び第４トレンチ５９と、を有している。さらに、半導体発光素子５０は、半導体構造層５１の上面視において第３トレンチ５８とｐ電極５４との間の電極間領域５２Ａ内の領域（領域５２Ｂ）から、対向面５３（対向領域５３Ａ）に向かって形成された第５トレンチ６０を有している。第５トレンチ６０は低抵抗方向ＬＤ上に（低抵抗方向領域に亘って）形成されている。第５トレンチ６０は、発光層１９を貫通して第３トレンチ５８の底部を越える深さを有している。

なお、本実施例においては、第３トレンチ５８及び第４トレンチ５９が、半導体構造層５１の上面視においてそれぞれ第１トレンチ５６及び第２トレンチ５７に重なるように形成されている場合について説明する。

図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示されているように、第５トレンチ６０は、第３トレンチ５８の底部を越えて形成されている。すなわち、第５トレンチ６０の底部は、第３トレンチ５８の底部よりも対向面５３側に形成されている。半導体構造層５１を側部から見たとき、第５トレンチ６０は、第３トレンチ５８に交差する。

第５トレンチ６０は、ｐ電極５４からｎ電極５５に向かう電流路のうち、ｎ電極５５に近い電流路の抵抗を上昇させてｎ電極５５から遠方の電流路との抵抗差を減ずる機能を有している。従って、比較的短い電流路、すなわちｎ電極５５に近いｐ電極５４の領域に電流が集中することを防止する。

図９（ａ）は、半導体発光素子５０の上面視における各トレンチの位置関係を模式的に示す図である。図９（ａ）においては、理解の容易さのため、ｐ電極５４及びｎ電極５５を破線で示し、各トレンチにハッチングを施してある。図９（ａ）に示すように、第５トレンチ６０は、半導体構造層５１の上面視において第３トレンチ５８とｐ電極５４との間の位置に形成されている。

図９（ｂ）は、半導体発光素子５０の半導体構造層５１内における低抵抗方向ＬＤの電流路を説明する図である。図９（ｂ）及び後述する図９（ｃ）は、それぞれ図８（ｂ）及び図８（ｃ）と同様の断面図であるが、理解の容易さのため、ハッチングを省略してある。また、電流路の一例を破線で示している。低抵抗方向ＬＤにおいては、第５トレンチ６０がｐ電極５４からの比較的短い電流路を遮断する。従って、低抵抗方向ＬＤ内における電流供給を均一化することができる。電流（電子）は、図の破線で示すように、ｐ電極５４から第５トレンチ６０を越えた後、第３トレンチ５８及び第１トレンチ５６によって形成された開口を通ってｎ電極５５に向かって進む。従って、第５トレンチ６０があることで電流路が屈曲して長くなり、第５トレンチ６０がない場合に比べて低抵抗方向ＨＤの電流路における電気抵抗が上昇する。

図９（ｃ）は、半導体発光素子５０の半導体構造層５１内における高抵抗方向ＨＤの電流路を説明する図である。高抵抗方向ＨＤにおいては、第２トレンチ５７及び第４トレンチ５９が形成されている。従って、電流は、実施例２の場合と同様に、ｐ電極５４から、第４トレンチ５９及び第２トレンチ５７によって形成された開口を通って、ｎ電極５５に向かって進む。

上記したように、本実施例においては、低抵抗方向ＬＤと高抵抗方向ＨＤとの間の均一な電流供給を図るのみならず、第１トレンチ５６より深い第５トレンチ６０が形成されているので低抵抗方向ＬＤ内での均一な電流供給も図ることができる。従って、発光素子の発光層の全体に均一に電流を分配及び供給する高性能の発光素子を提供することができる。

また、本実施例においては、第３トレンチ及び第４トレンチが半導体構造層の上面視においてそれぞれ第１トレンチ及び第２トレンチに重なるように形成される場合について説明したが、第３トレンチ及び第４トレンチは、面内方向においてそれぞれ第１トレンチ及び第２トレンチよりもｐ電極に近い位置に形成されていてもよい。この場合、第３トレンチ及び第４トレンチは、それぞれ第１トレンチ及び第２トレンチの底部を越えて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、半導体構造層を流れる電極間の電流の方向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。

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
１９ 発光層
１４、３４、５４ ｐ電極
１５、３５、５５ ｎ電極
１６、３６、５６ 第１トレンチ
１７、３７、５７ 第２トレンチ
３８、５８ 第３トレンチ
３９、５９ 第４トレンチ
６０ 第５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 (6)

1. 第１の導電型を有する第１の半導体層、前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する第２の半導体層並びに前記第１及び第２の半導体層間に形成された発光層を含み、前記第１の半導体層の表面を第１の主面とする半導体構造層と、前記半導体構造層の前記第１の半導体層の前記表面上に形成されかつ金属材料からなる第１の電極と、前記第１の半導体層の前記表面から前記第１の半導体層及び前記発光層を貫通して前記第２の半導体層に接続されかつ金属材料からなる第２の電極と、を有し、前記第１の主面を実装面とするフリップチップ型の発光素子であって、
   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の主面に向かって、全体として前記第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トレンチ及び第２トレンチを有し、
   前記半導体構造層内における前記第１の電極及び前記第２の電極間の電流の方向は、前記半導体構造層の面内方向において相対的に低い電気抵抗を有する電流方向である低抵抗方向と、相対的に高い電気抵抗を有する電流方向である高抵抗方向との少なくとも２つに区別され、
   前記半導体構造層は、前記低抵抗方向に沿った領域である低抵抗方向領域と、前記高抵抗方向に沿った領域である高抵抗方向領域との少なくとも２つに区画され、
   前記第１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トレンチは前記高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トレンチよりも深く形成されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記半導体構造層の上面視において前記第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トレンチ及び第４トレンチを有し、
   前記第３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４トレンチは前記高抵抗方向領域に亘って形成され、
   前記第３トレンチ及び前記第４トレンチは、前記第１トレンチ及び前記第３トレンチによって形成される前記低抵抗方向領域の電流路の開口における電気抵抗値が、前記第２トレンチ及び前記第４トレンチによって形成される前記高抵抗方向領域の電流路の開口における電気抵抗値よりも大きく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請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第３トレンチは、前記半導体構造層の上面視において前記第１トレンチに重なるように、又は前記第１トレンチよりも第１の電極に近い位置に形成され、
   前記第４トレンチは、前記半導体構造層の上面視において前記第２トレンチに重なるように、又は前記第２トレンチよりも第１の電極に近い位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
4. 前記半導体構造層の上面視において前記第３トレンチと前記第１の電極との間の前記電極間領域内の領域から前記第２の主面に向かって、かつ前記低抵抗方向領域に亘って形成され、前記発光層を貫通して前記第３トレンチの底部を越える深さを有する第５トレンチを有することを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
5. 前記第１の主面及び前記第２の主面は、矩形形状を有し、
   前記第２の電極は、前記第１の主面の角部の領域に形成され、
   前記第１の電極は、前記第１の主面の他の領域上に形成され、
   前記低抵抗方向は、前記第１の主面内における辺方向に沿った方向であり、
   前記高抵抗方向は、前記第１の主面内における対角方向に沿った方向であ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。
6. 前記第１トレンチ、前記第２トレンチ、前記第３トレンチ、前記第４トレンチ及び前記第５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５のいずれか１つに記載の発光素子。