JP6185786B2

JP6185786B2 - 発光素子

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Publication number: JP6185786B2
Application number: JP2013166454A
Authority: JP
Inventors: 拓也風間; 圭祐中田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: JP2014131000A

Description

本発明は、発光素子、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）素子に関する。

ＬＥＤ素子を搭載した発光装置が、照明、バックライト、産業機器等に従来から用いられてきた。特許文献１に記載されているようなＬＥＤ素子は、ＧａＡｓ基板またはサファイヤ基板等の成長基板上にＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法等を用いてＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＮ等の半導体層をエピタキシャル成長させ、成長基板上に成長した半導体層を導電性の支持基板に貼り合わせた後、成長基板を除去して製造されている。

特開２０１１−１６５８５３号公報

上記したような発光素子には、活性層全体に電流を均一に拡散させて発光ムラをなくす為、ｐ電極直下の反射面側電極に透光性絶縁体層を挿入して、ｐ電極とｎ電極とが互い違いに配されるようにすることで、ｎ電極直下での電流集中を抑制し、電流を拡散させる方法が用いられているものがある（特許文献１）。このような発光素子においては、反射面側電極上面の半導体構造層に電流を注入する領域において、金属電極と半導体層とが直に接しているため、金属電極による光吸収が発生し、透光性絶縁体層が挿入されている領域と比較して反射率が大きく低下していた。特に、ＡｌＩｎＧａＰ系半導体を用いている場合には、反射電極層と半導体層との界面において合金化が必要であるので、さらに反射率が悪化していた。

また、特許文献１のような発光素子において、上記した反射率の低下を防止するために、透光性絶縁体層を多く挿入し、電流注入領域である金属層と半導体層との接触領域を減少させると、発光素子の順方向電圧降下（Ｖ_F）の値が増大してしまい、動作特性の悪化が生じてしまうという問題があった。また、半導体層内の電流集中が強まり、静電破壊への耐性、すなわち静電破壊耐圧が低下してしまい、特に逆方向バイアス時の静電破壊耐圧が非常に低くなるために、信頼性の低下が生じるという問題があった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、発光ムラが少なく、高い発光効率を有し、かつ良好な動作特性を有して信頼性に優れるなど、高性能なＬＥＤ素子等の発光素子を提供することを目的とする。

本発明の発光素子は、第１の導電型の第１の半導体層、活性層、及び第２の導電型の第２の半導体層がこの順に積層されている半導体構造層と、当該第１の半導体層上の一部に形成されている透光性導電体からなる第１の電極と、当該第２の半導体層上の一部に形成されている第２の電極と、当該第１の半導体層の当該第１の電極から露出している部分を覆いかつ当該第１の電極の一部を覆うように形成されている透光性絶縁層と、当該透光性絶縁層の当該第１の半導体層と接している面と反対側の面に形成されている金属層と、を含み、当該第１の電極は、当該第２の電極が形成されている領域と当該半導体構造層を挟んで対向している領域以外の領域に形成されていることを特徴とする。

本発明の実施例１に係る発光素子の平面図である。図１の２−２線に沿った断面図である。実施例１の発光素子の製造工程を示す断面図である。本発明の実施例２に係る発光素子の平面図である。図４の５−５線に沿った断面図である。実施例２の発光素子の製造工程を示す断面図である。実施例２の変形例の発光素子の断面図である。実施例２の変形例の発光素子の製造工程を示す断面図である。本発明の実施例３に係る発光素子の平面図である。図９の１０−１０線に沿った断面図である。

以下に、ＬＥＤ素子を例にして、本発明の実施例に係る半導体素子１０について、図１及び図２を参照しつつ説明する。

半導体構造層１１は、ｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層からなるｐ型半導体層１３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する活性層１５、並びにｎ型クラッド層及び表面加工層からなるｎ型半導体層１７が積層されている構造を有している。例えば、ｐ型コンタクト層は、Ｍｇドープ（３×１０¹⁸ｃｍ^-3）されている厚さ０．５μｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｐの層であり、ｐ型クラッド層は、Ｍｇドープ（５×１０¹⁷ｃｍ^-3）されている厚さ０．５μｍのＡｌ_0.7Ｉｎ_0.3Ｐの層である。また、例えば、ｎ型クラッド層は、Ｓｉドープ（１×１０¹⁸ｃｍ^-3）されている厚さ０．５μｍのＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの層であり、表面加工層は、Ｓｉドープ（２×１０¹⁸ｃｍ^-3）されている厚さ２．５μｍのＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの層である。

なお、活性層１５は多重量子井戸(ＭＱＷ)としたが、単一量子井戸(ＳＱＷ)、あるいは単層（いわゆるバルク層）でもよい。多重量子井戸構造は、例えば、井戸層を（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層（厚さ２０ｎｍ）、バリア層を（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層（厚さ１０ｎｍ）とし、１５層の井戸層を有している。なお、各層の組成比は、上記したものに限定されるものではなく、発光波長等に合わせて適宜変更可能である。

半導体構造層１１のｎ型半導体層１７の上面、すなわち光取り出し面上には、ｎ配線電極１９及びｎ配線電極１９に電力を供給するためのｎ給電配線２１が形成されている。ｎ配線電極１９は、ＡｕＧｅＮｉからなり、ｎ型半導体層１７上に互いに平行に配され、ｎ型半導体層１７とオーミック接合を形成している線状電極として形成されている（本実施例では、３本の互いに平行な直線上に配置されている）。ｎ配線電極１９は、ｎ型半導体層１７とオーミック接合を形成できる他の金属、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｎＮｉ等で形成されていてもよい。

ｎ給電配線２１は、ｎ型半導体層１７とショットキー接合を形成している。ｎ給電配線２１は、ｎ型半導体層１７の上面の中央から伸張し、ｎ配線電極１９の各々の一部を覆うように形成されており、ｎ配線電極１９と電気的に接続している。ｎ給電配線２１は、ｎ型半導体層１７及びｎ配線電極１９上に、Ｔｉが１００ｎｍ堆積されて形成されている。なお、ｎ給電配線２１の材料は、ｎ型半導体層１７とショットキー接合を形成する金属であればよく、ＴａＮ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、これらの窒化物、またはこれらのシリサイドを使用することも可能である。また、ｎ給電配線２１とｎ型半導体層１７との間で形成されるショットキー接合のショットキー障壁は、半導体構造層１１内に動作電流が流れ始めるまでの配線抵抗を含むＶ_F（例えば、０．２Ｖ）よりも高く、０．５Ｖ以上であるのが好ましい。

ｎ給電配線２１の上面の中央には、ボンディングパッド２２が形成されている。ボンディングパッド２２は、ｎ給電配線２１上にＡｕが１０００ｎｍ堆積されて形成されており、直径が７０μｍの円柱形状を有している。ｎ給電配線２１がＴｉ以外の材料で形成されている場合には、ボンディングパッド２２は、ｎ給電配線２１の上面のボンディングパッド２２を形成する領域にＴｉ等の密着性の高い金属を形成し、その上にＡｕを堆積することで形成されてもよい。なお、ボンディングパッドは、角柱状、錐台形状等任意の形状をとることが可能である。

半導体構造層１１の光取り出し面と反対側の面上、すなわちｐ型半導体層１３上の一部領域には、ｐ型半導体層１３に電流を注入する電極である、ＩＴＯからなる透光性導電部２３が形成されている。透光性導電部２３は、厚さ１８ｎｍのＩＴＯ膜（屈折率ｎ₁＝１．７）であり、図１及び図２に示すように、半導体構造層１１を挟んで、ｎ配線電極１９及びｎ給電配線２１が形成されている領域と対向している領域以外の領域に形成されている。すなわち透光性導電部２３は、半導体構造層１１の上面側、すなわち光取り出し面側からみて、ｎ配線電極１９及びｎ給電電極２１と重ならないように形成されている。本実施例において、透光性導電部２３は、半導体構造層１１の上面側、すなわち光取り出し面側からみて、ｎ配線電極１９各々の両側に配置されている。また、本実施例において、ｐ型半導体層１３上の透光性導電部２３の被覆率（すなわち、［透光性導電部２３の被覆面積］／［透光性導電部２３が形成されている面のｐ型半導体層１３の全体面積］）は、５０．５％としている。

なお、透光性導電部２３には、ＩＺＯ、ＺｎＯ等、ＩＴＯ以外の透光性金属酸化物も使用することができる。また、透光性導電部２３は、後述する貫通孔を介して流入した電流を、当該電流がｐ型半導体層１３に流入する前に、透光性導電部２３において横方向（支持基板の上面と水平な方向）に全体的に拡散させて、順方向電圧降下の抑制効果を高めるために、ｐ型半導体層１３の抵抗値（例えば、１０^-2Ω・ｃｍ）より十分に低い抵抗値（例えば、１０^-4Ω・ｃｍ）をもたせるよう、酸素欠乏雰囲気下で形成された酸素欠損の多い金属酸化物であるのが好ましい。

透光性絶縁層２５は、半導体構造層１１の光取り出し面と反対側の面上に、透光性導電部を埋設するように形成されている厚さ１００ｎｍ層であり、ｐ型半導体層１３（屈折率ｎ₂＞３）よりも屈折率が低い透光性材料、例えばＳｉＯ₂（屈折率ｎ₃＝１．４）からなる層である。透光性絶縁層２５は、透光性導電部２３の表面から透光性絶縁層２５の透光性導電部２３と接している面と反対側の面まで貫通している複数の貫通孔２５Ａを有している。貫通孔２５Ａによって、透光性導電部２３の一部が透光性絶縁層２５から露出し、その露出面において、後述する金属電極層２７と透光性導電部２３とが接触し、電気的に接続されている。当該露出面を介して、金属電極層２７から透光性導電部２３に電流が流入することとなる。

貫通孔２５Ａは、透光性導電部２３の露出面を介して流入した電流を透光性導電部２３全体に拡散させ、電流集中を防止するように、ｎ配線電極１９からみて近端側及び遠端側に複数個配列されている。本実施例においては、貫通孔２５は、ｎ配線電極１９の伸長方向に平行な近位端側の直線及び遠位端側の直線の２本の直線上に配されている。なお、貫通孔２５Ａは、円柱状、角柱状、円錐台状、角柱台状等、任意の形状とすることができる。また、貫通孔２５Ａの配置は任意に変更可能であり、透光性導電部２３内で電流が十分に拡散可能であるように、透光性導電部２３の透光性絶縁部２５と接する面全体が均等に露出するように配置するのが好ましい。

透光性絶縁層２５の半導体構造層１１と接する面と反対側の面上には、金属電極層２７が形成されている。金属電極層２７は、透光性絶縁層２５の表面に、高い光反射性を有する金属、例えば、ＡｕＺｎが３００ｎｍ堆積された層である。なお、金属電極層２７を形成する金属によって透光性絶縁層２５の貫通孔２５Ａが充填されていることで、金属電極層２７と透光性導電部２３とが接触させられて、電気的に接続されている。金属電極層２７を形成する光反射性を有する金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈ等も使用することができる。なお、透光性導電部２３、透光性絶縁層２５及び金属電極層２７を合わせて反射面側電極２９と称する。

本実施例においては、透光性導電部２３の下面、すなわちｐ型半導体層１３と接している面と反対側の面における露出率（すなわち、［貫通孔２５Ａによって露出している透光性導電部２３の表面の面積］／［透光性導電部２３が形成されている面のｐ型半導体層１３の全体面積］）は、３％としている。

このように発光素子１０では、反射面側電極２９のｐ型半導体層１３内に電流を注入する領域において、ｐ型半導体層１３に金属電極層２７が直に接しておらず、ｐ型半導体層１３の表面から、ｐ型半導体層１３より屈折率が低い透光性導電部２３及び透光性絶縁層２５、及び金属電極層２７が順に積層されている３層構造が形成されている。

従って、活性層１５から出射して、ｐ型半導体層１３に電流が注入される領域に向かった光、すなわち透光性導電部２３に向かった光は、その多くがｐ型半導体層１３と透光性導電部２３及び透光性絶縁層２５との界面において全反射されて光出射面方向に向けられ、金属電極層２７にはほとんど吸収されない。よって、従来の発光素子よりも、反射面側電極のうち、ｐ型半導体層１３内に電流を注入する領域における反射率を増大させることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。なお、透光性導電部２３は、上記全反射現象において無視できる程度に薄い膜である場合には、透光性導電部２３及び透光性絶縁層を１つの層であると考え、全反射がｐ型半導体層１３と透光性導電部２３及び透光性絶縁層２５からなる層との界面で起きているものと考えれば足りる。従って、この場合、上記全反射現象の理解においては、透光性導電部２３による光の吸収は起こるものの、透光性導電部２３の屈折率についてはさほど考慮する必要はない。

本実施例において、活性層１５から出射された光の反射面側電極２９における反射率は、ｐ型半導体層１３側から透光性絶縁層２５（ＳｉＯ₂）、金属電極層２７（ＡｕＺｎ）がこの順に積層されている領域においては、９７．３％となり、電流を供給する領域である透光性導電部２３（ＩＴＯ）、透光性絶縁層２５（ＳｉＯ₂）、金属電極層２７（ＡｕＺｎ）がこの順に積層されている領域においては９６．８％となり、領域間で反射率にほとんど変化がない。従って、電流を注入する領域を大きくしても、反射面側電極２９全体としての反射率が、金属層２７単層のものよりも向上し、ＳｉＯ₂で構成される反射ミラーと同等となる。よって、ｐ型半導体層１３の表面における電流を注入する領域の面積を大きく取ることで、反射面側電極２９での光反射率を高く維持すると同時に順方向電圧降下を抑制し、発光素子の動作特性を良好なものすることが可能である。

半導体側接合層３１は、反射面側電極２９の金属電極層２７の表面上に形成されている。半導体側接合層３１は、金属電極層２７側からＴａＮ（層厚１００ｎｍ）、ＴｉＷ（層厚１００ｎｍ）、ＴａＮ（１００ｎｍ）、Ｎｉ（層厚３００ｎｍ）、Ａｕ（層厚３０ｎｍ）がこの順に積層されている層である。

支持基板側接合層３３は、上面及び下面にＰｔからなるオーミック金属層（図示せず）を有するＳｉ等の導電性基板である支持基板３５上に、Ｔｉ（層厚１５０ｎｍ）、Ｎｉ（層厚１５０ｎｍ）、ＡｕＳｎ（層厚６００ｎｍ）がこの順に形成されている層であり、半導体側接合層３１と共晶接合している。支持基板３５は、例えば、一辺が３５０μｍの正方形の上面形状を有している。なお、支持基板３５は、導電性を有し熱伝導率が高い材料であれば、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃｕ、ＣｕＷ、ＡｌＮ等の他の材料を用いてもよい。

上記の通り、発光素子１０においては、また、従来の発光素子と異なり、透光性絶縁層が挿入されている領域と比べて、ｐ型半導体層１３に電流を注入する領域における反射率がほとんど低下しない。従って、反射面側電極２９での光反射率を維持しつつ、ｐ型半導体層１３の表面における電流を注入する領域の面積を大きく取ることで、順方向電圧降下を抑制し、発光素子の光取り出し効率を高めかつ動作特性を良好なものとすることが可能である。

以下に、上述した発光素子１０を製造する方法について、図１の２−２線に沿った発光素子１０の断面における製造過程の図である図３（ａ）−（ｅ）を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板等の成長基板３７を準備し、半導体構造層１１をＭＯＣＶＤ法により成膜する。具体的には、例えば、成長基板３７をＭＯＣＶＤ装置に投入し、サーマルクリーニング後、上記した表面加工層及びｎ型クラッド層からなるｎ型半導体層１７、活性層１５、並びにｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層からなるｐ型半導体層１３を順に成膜する。

次に、ｐ型半導体層１３上に透光性導電部２３を形成する。まず、ｐ型半導体層１３上に、例えば、ＲＦスパッタ法を用いてＩＴＯ膜を層厚１８ｎｍで成膜する。ＩＴＯ膜の成膜後、フォトレジストパターンを形成してウェットエッチングを行い、図３（ｂ）に示すように透光性導電部２３を形成した。なお、透光性導電部２３には、ＩＺＯ、ＺｎＯ等の他の透光性金属酸化物を用いることができる。また、透光性導電部２３の形成には、抵抗加熱蒸着法、ＥＢ蒸着法等他の方法を用いることも可能である。なお、透光性導電部２３は、貫通孔を介して流入した電流がｐ型半導体層１３に流入する前に、透光性導電部２３において横方向（支持基板の上面と水平な方向）拡散するよう、十分に低い抵抗値をもたせるために、酸素欠乏雰囲気下で形成し、酸素欠損の多い金属酸化膜とするのが好ましい。

次に、図３（ｃ）に示すように、透光性絶縁層２５を形成する。まず、例えば、ＲＦスパッタ法を用いて、１００ｎｍの膜厚でＳｉＯ₂膜を成膜する。その後、形成したＳｉＯ₂膜上に、透光性導電部２３上の貫通孔２５Ａを形成する領域に開口部を有するようにレジストマスクを形成する。その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いてエッチングを行うことで、貫通孔２５Ａを形成し、透光性絶縁層２５を形成する。なお、透光性絶縁層２５には、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃等の他の透光性絶縁体を用いることができる。また、貫通孔２５Ａを形成する際のエッチング方法としては、ドライエッチング法を用いることも可能である。

次に、図３（ｄ）に示すように金属電極層２７を形成する。具体的には、例えば、スパッタ法を用いてＡｕＺｎ層を３００ｎｍ堆積させて金属電極層２７を形成する。この際、貫通孔２５Ａ内にもＡｕＺｎが充填されるように堆積を行う。

次に、金属電極層２７上に半導体側接合層３１を形成する。具体的には、例えば、電子ビーム真空蒸着法によりＴａＮ（層厚１００ｎｍ）、ＴｉＷ（層厚１００ｎｍ）、ＴａＮ（１００ｎｍ）、Ｎｉ（層厚２００ｎｍ）、Ａｕ（層厚３０ｎｍ）を順に成膜して積層する。なお、半導体側接合層３１の形成には、抵抗加熱蒸着法やスパッタ法を用いることも可能である。

次に、上面に支持基板側接合層３３が形成されている支持基板３５を用意する。例えば、支持基板３５は、上面及び下面にＥＢ蒸着法によりＰｔからなる層厚２００ｎｍのオーミック金属層（図示せず）が形成されているＳｉ基板である。支持基板側接合層３３は、スパッタ法等により、支持基板３５上にＴｉ（層厚１５０ｎｍ）、Ｎｉ（層厚１５０ｎｍ）、ＡｕＳｎ（層厚６００ｎｍ）がこの順に形成されている。

次に、半導体側接合層３１の表面と支持基板側接合層３３の表面とを接触させて、互いに対して圧力１ＭＰａで押圧しつつ、温度３３０℃の窒素雰囲気下で１０分間かけて熱圧着を行うことにより支持基板３５を貼り付ける。その後、例えば、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成長基板３７を除去する。なお、成長基板３７の除去は、ドライエッチング、機械研磨法、もしくは化学機械研磨（ＣＭＰ）法、またはこれらの方法を組み合わせて行ってもよい。なお、光取り出し効率を向上させる為に、露出したｎ型半導体層表面には、ウェットエッチング等で凹凸加工を施す事が好ましい。

上記処理の終了後、図３（ｅ）に示すようにｎ型半導体層１７上にｎ配線電極１９、ｎ給電配線２１及びボンディングパッド２２を形成する。ｎ配線電極１９は、ｎ型半導体層１７上にＡｕＧｅＮｉをＥＢ蒸着法により堆積させた後に、リフトオフ法によりパターニングを行って形成する。続いて、ｎ型半導体層１７の上面及びｎ配線電極１９を覆うように、Ｔｉ（層厚１００ｎｍ）をＥＢ蒸着等で順に堆積し、リフトオフ法によりパターニングを行って、ｎ給電配線２１を形成した。その後、Ａｕを１０００ｎｍを堆積し、リフトオフ法によりパターニングを行ってボンディングパッド２２を形成した。なお、ｎ配線電極１９は、ｎ型半導体とオーミック接合を形成することが可能な材料で形成されていればよく、例えば、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、ＡｕＳｎＮｉ等を用いて形成してもよい。

最後に、ｎ型半導体層１７とｎ配線電極１９との間でのオーミック接触の形成を促進するために、４００℃の窒素雰囲気下で熱処理を行い、発光素子１０が完成する。

以下に、本発明の実施例２の発光素子４０について、図４及び図５を参照して説明する。なお、図４においては、ｐ型半導体層１３の表面上に形成されている電極の構成を明瞭にするために、ｎ給電配線２１及びボンディングパッド２２を省略している。発光素子４０は、対向電極４１を有する点で実施例１の発光素子１０と異なっている。

対向電極４１は、透光性導電体、例えばＩＴＯからなる厚さ１８ｎｍで直径が７０μｍの円柱体であり、ボンディングパッド２２が形成されている領域と半導体構造層１１を挟んで対向する領域のｐ型半導体層１３上に形成されている。対向電極４１は、ｐ型半導体層１３とオーミック接合を形成している。なお、対向電極４１は、角柱状、錐台形状等任意の形状をとることが可能である。

発光素子４０において、透光性絶縁層２５は、ｐ型半導体層１３上に透光性導電部２３及び対向電極４１を埋設するように形成されている厚さ１００ｎｍ層であり、透光性導電部２３よりも屈折率が低い物質、例えばＳｉＯ₂（屈折率ｎ₂＝１．４）からなる層である。透光性絶縁層２５は、透光性導電部２３または対向電極４１の表面から透光性絶縁層２５の透光性導電部２３または対向電極４１と接している面と反対側の面まで貫通している複数の貫通孔２５Ａを有している。発光素子１０と同様に、貫通孔２５Ａは、円柱状、角柱状、円錐台状、角錐台状等、任意の形状とすることができる。なお、金属電極層２７を形成する金属が透光性絶縁層２５の貫通孔２５Ａを充填することによって、金属電極層２７と透光性導電部２３及び対向電極４１とは電気的に接続されている。

発光素子４０においては、通常の動作時、すなわち順方向バイアスの動作電圧がかかっている場合に、対向電極４１からｎ配線電極１９に電流が流れないように、発光素子４０の半導体構造層の上面と平行な方向におけるｎ配線電極１９の端部と透光性導電部２３の端部との最短距離ａが、ｎ配線電極１９の端部と対向電極４１の端部との最短距離ｂより小さいことが好ましい。

発光素子４０の製造においては、対向電極４１は、発光素子１０の図３（ａ）に示す工程の後に、図６（ａ）に示すように、透光性導電部２３と同時に形成し、その後、図６（ｂ）に示すように、実施例１と同様に、透光性絶縁層２５を形成して貫通孔２５Ａを形成し、その上から金属電極層２７を堆積する。

発光素子１０について説明したように、ボンディングパッド２２下のｎ給電配線２１は、ｎ型半導体層１７とショットキー接合を形成しているため、通常の動作時のｐ型半導体からｎ型半導体への順方向バイアス動作電圧がかかっている場合には、透光性導電部２３からｎ配線電極１９の間のみに電流が流れ、対向電極４１からボンディングパッド２２下のｎ給電配線２１へは電流は流れない。しかし、通常の動作時とは逆のｎ型半導体からｐ型半導体への逆方向バイアス電圧がかかった場合には、ｎ配線電極１９から透光性導電部２３の間だけではなく、ボンディングパッド２２下のｎ給電配線２１から対向電極４１へも電流が流れる。従って、ｎ配線電極１９と透光性導電部２３との間の経路に流れるはずの電流がボンディングパッド２２下のｎ給電配線２１と対向電極４１との間の経路にも分散され、ｎ配線電極１９と透光性導電部２３との間の経路に流れる電流の量を低下させることができる。よって、発光素子の静電破壊耐圧、特に、逆方向バイアスに電圧がかかった際の静電破壊耐圧を向上させることが可能である。

発光素子４０においては、発光素子１０について説明したように、反射面側電極２９での光反射率を維持しつつ、ｐ型半導体層１３の表面における電流を注入する領域の面積を大きくとることで順方向電圧降下を抑制し、発光素子の動作特性を良好なものすることが可能である。さらに、発光素子４０においては、静電気等により、逆方向バイアスの大電流が流入した場合に、ボンディングパッド２２と対向電極４１との間の経路に電流が分散されるので、逆方向バイアスに大電流が流入した場合の静電破壊耐圧を向上させることが可能である。

実施例２の発光素子４０においては、対向電極４１上の活性層１５はほとんど発光しないので、対向電極４１の部分での光反射はあまり考慮しなくともよい。従って、図７の発光素子５０に示すように、対向電極４１を形成する部分は、対向電極４１、透光性絶縁層２５、金属電極層２７の３層構造とせずに、対向電極４１、金属電極層２７の２層構造としてもよい。その場合、透光性対向電極４１は、図８（ａ）に示すように、発光素子１０の図３（ｃ）に示す透光性絶縁層２５の形成工程の後に、透光性絶縁層をｐ型半導体層に達するまでエッチングして開口部４３を形成し、その後、図８（ｂ）に示すように開口部４３を金属酸化物等の透光性導電体で充填することで形成してもよい。なお、対向電極４１は、静電気等によりの大電流が流れた際に、ボンディングパッド２２下のｎ給電配線２１から対向電極４１へより多くの電流を流すことを可能とし、静電破壊耐圧をさらに高めるために、金属酸化物よりも低抵抗な金属で形成してもよい。その場合は、工程を単純化するために、金属電極層２７と同一の金属材料で形成するのが好ましい。

以下に本発明の実施例３の発光素子６０について、図９及び図１０を参照して説明する。実施例３の発光素子６０は、透光性導電部２３の下面を覆う透光性絶縁層２５の形状が異なる以外は実施例１の発光素子１０と同様の構成を有している。発光素子６０において、透光性導電部２３の下面には、透光性絶縁層２５を形成する透光性絶縁体が互いに離間してドット状に複数配されている。発光素子６０では、透光性絶縁層２５が、発光素子１０において貫通孔２５Ａが形成されている部分に透光性絶縁体が残るようにパターニングされている。すなわち、発光素子６０の透光性絶縁層２５は、透光性導電部２３の下面上において発光素子１０の透光性絶縁層２５とネガポジの関係になるようにパターニングされ、透光性導電部２３の一部が透光性絶縁層２５から露出するようになされている。

図１０に示すように、発光素子１０は、半導体構造層１１を有している。半導体構造層１１は、第１の導電型であるｐ型半導体層１３、発光層１５、第２の導電型（第１の導電型の反対導電型）であるｎ型半導体層１７からなる。

透光性絶縁層２５の半導体構造層１１と接する面と反対側の面上には、金属電極層２７が形成されている。実施例１の発光素子１０と同様に、金属電極層２７を形成する金属によって透光性導電部２３の露出面が覆われることで、金属電極層２７と透光性導電部２３とが接触させられて、電気的に接続されている。

このように、発光素子６０においては、実施例１の発光素子１０と同様に、活性層１５から出射して、ｐ型半導体層１３に電流が注入される領域に向かった光、すなわち透光性導電部２３に向かった光は、その多くがｐ型半導体層１３と透光性導電部２３及び透光性絶縁層２５との界面において全反射されて光出射面方向に向けられ、金属電極層２７にはほとんど吸収されない。よって、従来の発光素子よりも、反射面側電極のうち、ｐ型半導体層１３内に電流を注入する領域における反射率を増大させることができるので、光取り出し効率を向上させることができる。

また、透光性絶縁層２５を透光性導電部２３下面上にドット状に残るようにパターニングすることによって、実施例１の発光素子１０よりも透光性導電部２３の下面の露出面積を大きくすることができる。それにより、透光性導電部２３全体に電流を均一に流して電流集中を防止することが可能となり、ひいては発光素子全体の電流集中を防止して、発光素子の発光効率の向上及び電流耐圧の向上を図ることが可能である。また、透光性導電部２３全体に電流が均一に流れるので、透光性導電部２３による電流抵抗を低減することができ、発光素子の発光効率を向上させることが可能である。

なお、上記発光素子４０、５０において、透光性導電部２３及び透光性絶縁層２５の構成を、実施例３の発光素子６０と同様の構成としてもよい。

上記実施例において、透光性導電部２３の被覆率は５０．５％としたが、動作電圧・電流によって任意に変更可能である。なお、電流拡散効果及び順方向電圧降下の抑制効果に鑑みて、被覆率は４−６１％の範囲とするのが好ましい。同様に、上記実施例において、透光性導電部２３の露出率は３％としたが、動作電圧・電流によって任意に変更可能である。なお、反射面側電極２９全体の光反射率に鑑みて、露出率は３−７％の範囲とするのが好ましい。

また、上記実施例において、透光性導電部２３の厚さは１８ｎｍとしたが、この厚さは任意に変更可能であり、ｐ型半導体層１３に流入する電流が、ｐ型半導体層１３に流入する前に、透光性導電部２３において横方向（支持基板の上面と水平な方向）拡散するのに十分な厚さとするのが好ましい。

また、上記実施例において、透光性絶縁層２５の厚さは１００ｎｍとしたが、必ずしもこの厚さである必要はない。なお、透光性絶縁層２５の厚さは、好ましくは、活性層１５から出射される光の波長をλ、透光性絶縁層２５の厚さをｄ、透光性絶縁層２５を形成する材料の屈折率をｎ_xとし、ｍを整数とした場合に、ｄ＝ｍ・λ／４ｎを満たす厚さであるのが好ましい。

また、上記実施例においては、ｎ給電配線２１とｎ型半導体層１７とがショットキー接合を形成し、対向電極４１とｐ型半導体層１３とがオーミック接合を形成する場合を例として説明したが、ｎ給電配線２１とｎ型半導体層１７とがオーミック接合を形成し、対向電極４１とｐ型半導体層１３とがショットキー接合を形成することとしてもよい。このようにしても、上記実施例と同様に、逆方向バイアス電流が流れた際に、ボンディングパッド２２下のｎ給電配線２１と対向電極４１との間に電流が分散され、逆方向バイアス電流が流れた際の静電破壊耐圧の向上効果を得ることが可能である。

上記実施例では、ＬＥＤ素子を用いたＡｌＩｎＧａＰ系ＬＥＤ素子を例に説明をしたが、本発明は、ＧａＮ系ＬＥＤ素子等、他の半導体発光素子にも応用可能である。ＧａＮ系のＬＥＤ素子とする場合、例えば、ｐ型コンタクト層は、ＭｇドープされているＧａＰの層であり、ｐ型クラッド層は、ＭｇドープされているＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの層及びＭｇがドープされているＧａＮの層が積層されている層である。また、例えば、ｎ型クラッド層は、ＳｉがドープされているＧａＮの層である。また、活性層は、例えば、井戸層を（Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65）Ｎ層、バリア層をＧａＮ層とし、５層の井戸層を有している。また、この場合、金属電極層としては、例えば、Ａｇ等を用いることができる。なお、各層の組成比は、上記したものに限定されるものではなく、発光波長等に合わせて適宜変更可能である。

ＧａＮ系半導体の屈折率が小さい故に、ＧａＮ系半導体に対して屈折率差が少ないＩＴＯとＧａＮ系半導体との界面では全反射の程度は小さい。よって、ＧａＮ系半導体を用いたＬＥＤ素子に対して、透光性導電部としてのＩＴＯ等及び透光性絶縁層としてのＳｉＯ₂等、及び金属電極層が順に積層されている３層構造を形成する本発明を適用した場合でも、反射面側電極における光の全反射によるＬＥＤ素子の発光効率の向上の効果を十分に得ることができる。

上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び製造される半導体素子等に応じて、適宜選択することができる。

１０、４０、５０、６０発光素子
１１半導体構造層
１３ｐ型半導体層
１５活性層
１７ｎ型半導体層
１９ｎ配線電極
２１ｎ給電配線
２２ボンディングパッド
２３透光性導電部
２５透光性絶縁層
２７金属電極層
２９反射面側電極
３１半導体側接合層
３３支持基板側接合層
３５支持基板
３７成長基板
４１対向電極

Claims

第１の導電型の第１の半導体層、活性層、及び第２の導電型の第２の半導体層がこの順に積層されている半導体構造層と、
前記第１の半導体層上の一部に形成されている透光性導電体からなる第１の電極と、
前記第２の半導体層上の一部に形成されている第２の電極と、
前記第１の半導体層の前記第１の電極から露出している部分を覆いかつ前記第１の電極の一部を覆うように形成されている透光性絶縁層と、
前記透光性絶縁層の前記第１の半導体層と接している面と反対側の面に形成されている金属層と、を含み、
前記第１の電極は、前記第２の電極が形成されている領域と前記半導体構造層を挟んで対向している領域以外の領域に形成されていることを特徴とする発光素子。
前記第２の電極は、前記第２の半導体層とショットキー接合を形成している給電配線と、前記給電配線から伸張し、前記第２の半導体層とオーミック接合を形成している配線電極と、を含み、
前記給電配線が形成されている領域と前記半導体構造層を挟んで対向する領域の前記第１の半導体層上に前記第１の半導体層とオーミック接合を形成する対向電極が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。
前記半導体構造層の上面と平行な方向における前記配線電極の端部と前記第１の電極の端部との最短距離が、前記配線電極の端部と前記対向電極の端部との最短距離より小さいことを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
前記透光性絶縁層は、前記第１の電極を前記第１の半導体層上に埋設するように形成され、かつ、前記第１の電極から前記金属層まで貫通して前記第１の電極の一部を前記透光性絶縁層から露出させる貫通孔を有し、前記貫通孔を介して前記第１の電極と前記金属層とが電気的に接続していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の発光素子。
前記透光性絶縁層は、前記第１の電極を前記第１の半導体層上に埋設するように形成され、かつ、前記第１の電極から前記金属層まで貫通して前記第１の電極の一部を前記透光性絶縁層から露出させる貫通孔を有し、前記貫通孔を介して前記第１の電極と前記金属層とが電気的に接続し、前記貫通孔は、前記配線電極からみて近位端側及び遠位端側に複数配置されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の発光素子。
前記配線電極は、直線上に伸張しており、前記貫通孔は、前記配線電極の伸長方向と平行な近位端側の直線上及び遠位端側の直線上に配されていることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
前記第１の電極は、前記第２の半導体層の上面からみて前記配線電極の両側に配されていることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。