WO2003007390A1

WO2003007390A1 - Dispositif semi-conducteur

Info

Publication number: WO2003007390A1
Application number: PCT/JP2002/007087
Authority: WO
Inventors: Motokazu Yamada; Shinya Sonobe; Masahiko Sano
Original assignee: Nichia Corporation
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2003-01-23
Also published as: CN1479948A; US20040026702A1; JPWO2003007390A1; JP3821128B2; TW558847B; US6977395B2; EP1406314B1; EP1406314A4; KR100558890B1; CN1217425C; EP1406314A1; KR20040007426A

Description

明細書半導体素子技術分野

本発明は、正負一対の電極が形成されて発光素子または受光素子となる半導体素子に関し、とくに A 1 _x I n_yG aト _{x y}N (0≤x, 0≤y, x + y < 1) からなる発光素子に関する。

背景技術

今日我々が生活するなかで信号機、駅や空港の行き先案内板、ビルの外壁に設置される大型ディスプレイさらには、携帯電話のバックライト光源など、発光素子を見かけないことはないと言っても過言ではない。このように半導体が積層されてなる発光素子や発光素子を応用した受光素子は欠力せないものになってきており、これらに求められる特性向上のニーズはとどまるところを知らない。

なかでも青色発光素子は他の 3原色となる赤、緑から遅れて開発されたもので、特性の向上やそれぞれの目的に適応した青色発光素子を求める声は最も強い。この青色発光素子としては、ガリウムを含む窒化物半導体素子（以下、 GaN 系半導体素子とする）が最も多く使われている。この GaN系半導体素子の構造としては、基本的に、サファイア基板上に GaNよりなるバッファ層と、 S i ドープ G aNよりなる n側コンタクト層と、単一量子井戸構造、もしくは多重量子井戸構造の I n G a N層を包含する活性層と、 M gドープ A I GaNよりなる p 側クラッド層と、 Mgドープ GaNよりなる p側コンタクト層とが順に積層され、さらに！)側コンタクト層の一部がエッチングされて露出した n側コンタクト層の表面にはチタン/アルミニウムからなる n電極が、 p側コンタクト層の残りの表面にニッケル/金からなる！)電極が形成されており、 2 OmAのにおいて、発光波長 450 n mで 5 mW、外部量子効率 9. 1 %と非常に優れた特性を示す。図 12は従来の G a N系半導体素子の一例を示す斜視図であり、図 13はその上面から見た平面図である。上記構造を有する GaN系半導体素子において、基板³01の上に、順次、 n側コンタクト層ゃ n側クラッド層などを含む η導電型の半導体層 3 0 2、活性層 3 0 3、 p側クラッド層ゃ p側コンタクト層などを含む P導電型の半導体層 3 0 4が積層され、 p電極 3 0 6は p側コンタクト層の表面にニッケル Z金を積層して構成される。この p電極 3 0 6は p側コンタクト層の表面のほぼ全面に形成する。 n電極 3 0 7は、 n導電型の半導体層 3 0 2と電気接続が得られるように設けられる。'

G a N系半導体は p型となる不純物をドープしない限り、 n型を示す。 p n接合を有する G a N系半導体素子を実現するには p型を示す G a N系半導体が必要である。

例えば、 M gをドープした G a Nを成膜した後、さらにアニーリングや電子線照射等の手法を用いることで、 p型 G a Nを得ることができる。し力、し、特別な手法を適用しなければ容易に p型にできないことからも明らかなように、 G a N 系半導体は _p型になりにくく、すなわち p型を示す G a N系半導体は n型を示す G a N系半導体と比べて抵抗率が高くなる傾向がある。この p型を示す G a N系半導体層が高抵抗である場合、発光素子に流れる電流は P型半導体層中では広がりにくく、キャリア再結合による発光に偏りが生じ、発光が面内で不均一になつてしまう。その対策として、 p電極を P側コンタクト層の全面に形成し、：型半導体層全面で均一に電流が流れるようにし、発光の不均一をなくしている。また-ッケル /金は 2 0 0オングストロームで透光性を有し且つ、 p型を示す G a N系半導体素子と良好なォーミック接触を示すので、；電極材料として好ましく用いられている。

しかしながら、金は約 5 5 0 n mより短波長の光を吸収する性質があるため、 p電極材料として金を用いた場合、 p電極下部で発光する光を吸収するようになり、素子内部で発光した光が外部に効率よく放出されなくなる。

発明の開示

本発明の目的は、光利用効率が高く、高い信頼性を有する半導体素子を提供することである。

本明は、次のような構成を有する。

( 1 ) 基板上に少なくとも第 1導電型の半導体層と第 1導電型と異なる第 2導電型からなる半導体層が順に積層されて、第 2導電型の半導体層の表面には電極が形成されてなる半導体素子において、

該第 2導電型の半導体層の表面には、少なくとも銀を含有する第 1の電極と、銀を含有しなレ、第 2の電極がそれぞれ形成されてなる半導体素子。

(2) 第 1の電極は、銀、銀一ニッケル合金、銀一パラジウム合金、銀—ロジゥム合金または銀一白金合金からなる層を有する（1) に記載の半導体素子。

(3) 第 2の電極は、第 2導電型の半導体層の表面において、第 1の電極の周囲を囲むように形成されている（1) または（2) に記載の半導体素子。

(4) 第 1の電極と第 2導電型の半導体層との接触部における電位障壁は、第 2の電極と第 2導電型の半導体層との接触部における電位障壁より小さい（ 1 ) 〜（3) のいずれかに記載の半導体素子。

(5) 第 1の電極と第 2導電型の半導体層との接触部におけるォーミック性は、第 2の電極と第 2導電型の半導体層との接触部におけるォーミック性より良好である（1) 〜（3) のいずれかに記載の半導体素子。

(6) 第 1の電極は、ロジウム、パラジウム、ニッケルおよび白金のうち少なくとも 1つを含有する（1) 〜（5) のいずれかに記載の半導体素子。

(7) 第 2の電極は、第 1の電極と同電位、または第 1の電極より高い電位に設定される（1) 〜（6) のいずれかに記載の半導体素子。

(8) 第 2の電極は、第 2導電型の半導体層の表面において、第 1の電極と部分的に接触している（7) に記載の半導体素子。

(9) 外部取り出し用のパッド電極が、第 1の電極およぴ第 2の電極の両方に接触するように形成されている（8) に記載の半導体素子。

(1 0) 第 2導電型の半導体層表面は、第 1の電極を形成する領域と第 2の電極を形成する領域との間に、電極を形成しない電極非形成領域を有する（1) 〜

(9) のいずれかに記載の半導体素子。

(1 1) 電極非形成領域は、第 1の電極と第 2の電極との最短距離が 0. 5 μ m以上となるように設けられる（1 0) に記載の半導体素子。

(1 2) 第 1の電極は、第 1の電極の外郭より内側において、第 2導電型の半導体層が露出した開口部を有する（1) 〜（1 1) のいずれかに記載の半導体素子。 (13) 半導体素子は発光素子であり、第 2導電型の半導体層の表面における発光領域において、第 1の電極の周縁部での発光強度が周縁部以外の発光領域よりも高い（1) 〜（12) のいずれかに記載の半導体素子。

(14) 第 1の電極において、第 2導電型の半導体層が露出した複数の開口部の総面積 S aと、第 2導電型の半導体層が露出していない非開口部の面積 S bとを合計したを Sとし、各開口部の内周長の総和を Lとして、 L/S≥0. 02 が成立する（12) または（13) に記載の半導体素子。

(1 5) 各開口部は、略同一形状または略同一面積を有する（14) に記載の半導体素子。

(16) 半導体層は、少なくともガリウムを含む窒化物半導体で形成されている（1) 〜（15) のいずれかに記載の半導体素子。

(1 7) 第 2導電型の半導体層の部分エッチングによって第 1導電型の半導体層が露出しており、第 1導電型の半導体層の露出した表面に第 3の電極が形成されている（1) 〜（16) のいずれかに記載の半導体素子。

(18) 第 1導電型の半導体層は n型の半導体層であり、第 2導電型の半導体層は！)型の半導体層である（1) 〜（17) のいずれかに記載の半導体素子。本発明に従えば、電極材料として銀を用いることによって、従来のように金を用いた場合と比べて、約 55011 mより短波長の光が吸収されなくなり、光利用効率を向上させることができる。

また、銀は抵抗率が低く、良好な導電性を示すため、電極の膜厚を薄くしても電極抵抗の増加を防止できる。そのため、電極膜厚の設計自由度が増加し、例えば電極を厚く形成することによって電極の光反射性を高めたり、あるいは電極を薄く形成することによつて電極の光透過率を高めることができる。

また、銀はエレクト口マイグレーションを特に起こしやすレ、材料として知られており、 p電極材料おょぴ n電極材料のいずれかに銀を用いた半導体素子を通電すると、一方の電極中に存在していた銀が素子側面を通って他方の電極に向かつて移動するようになり、銀の析出によって短絡の原因となってしまう。

そこで、一方の電極形成面に銀を含有する第 1の電極を形成すると共に、銀を含有しない第 2の電極を設けることによって、銀のエレクトロマイグレーションが発生しても、第 2の電極の存在によって短絡を防止できるようになり、信頼性の高い半導体素子を得ることができる。

また、第 1の電極は、第 1の電極の外郭より内側において、第 2導電型の半導体層が露出された開口部を有することによって、 V _f (順方向駆動電圧）が低下した素子を得ることができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施例に係る半導体素子の斜視図である。

図 2は、本発明の一実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。図 3は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。図 4は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。図 5は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。図 6は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。図 7は、本発明の他の実施例に係る半導体素子を上面から見た平面図である。図 8 Aは本発明の他の実施例を示す平面図で、図 8 Bはその断面図である。図 9 A、図 9 Bは本発明の他の実施例をそれぞれ示す平面図である。

図 1 0は、開口率が同じで、開口部 5の内周長を変化させたときの電力変換効率を示すグラフである。

図 1 1 Aは電極端面角度 6力 9 0 ° である場合を示す部分断面図であり、図

1 1 Bは電極端面角度 0が 9 0 ° 未満である場合を示す部分断面図である。図 1 2は、従来の半導体素子の斜視図である（比較例）。

図 1 3は、従来の半導体素子を上面から見た平面図である（比較例）。発明を実施するための最良の形態

次に、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明において、第 2導電型の半導体層に形成する第 1の電極は、少なくとも銀を含んでいればよく、銀の単層、または銀と他の金属とが順に積層された層、または銀と他の金属とが積層されァニーリング処理されて合金化された層を用いる。合金化された層としては、例えば銀 (Ag) にニッケル（N i ) 、パラジゥム（P d) 、ロジウム（Rh) または白金（P t) が：！〜 30%添加された合金などを用いることができる。 N i、 P dは、 p型 G a N等の G a N系半導体とのォーミック接触が容易に得られる点で好ましく、より好ましくは N iを用いる。また、第 1の電極に用いる金属としては、 Ag、 N i、 P d以外に、 C o、 F e、 T i、 Cu、 Rh、 Au、 Ru、 W、 Mo、 T a、 P t等があるが、光の吸収が多い材料を含まないことが好ましい。

電極膜厚に関して、第 1の電極を厚く形成すると、素子内部で発生した光は第 1の電極で反射して、半導体層積層側に効率よく光を戻すことができ、素子側面からの光放出効率が向上する。逆に、第 1の電極を薄く形成すると、第 1の電極は透光性を有するようになり、発光素子の場合、素子内部で発生した光が効率よく外部に放出され、受光素子の場合、外部から到来する光が効率よく素子内部に入射する。

銀は抵抗率が 1. 5 9 X 1 0—⁶ (Ω cm) と他の金属材料と比べても低いので、第 1の電極の膜厚を薄く形成しても、第 1の電極の抵抗が急激に高くなることはなく、薄く形成する場合でも扱いやすい。

下記の（表 1) は、第 1の電極の材料を変更した場合、半導体発光素子の V_f (順方向駆動電圧）と、光出力およびその相対値を示す。なお、各測定値は、 1 0個の素子について測定した平均値である。

(表 1 )

電極材料 V_f (ボルト）光出力（mW) 光出力相対値

C u 4. 70 8. 84 1. 0 78

P d 4. 7 7 8. 6 9 1. 0 5 9

Ag ― 4. 3 7 1 4. 2 7 1. 740

N N ii //AAuu 33.. 66 88 88.. 20 1. 000

この結果から、第 1の電極を銀で形成した場合、 C uや P dよりも V_fを下げることができ、 N i /Auよりも光出力が格段に増加することが判る。

第 2導電型の半導体層には、銀を有しない第 2の電極が形成されている。第 2 の電極の材料としては、エレクトロマイグレーションが発生しにくい金属を用レ、、単層、または複数の金属が積層された層、または複数の金属が積層されてァニーリングにより合金化された層を用いることができる。第 2の電極は、金などの光の吸収の多い材料を含んでもよいが、こうした材料を含まないことで、第 2導電型の半導体層の表面全面で光吸収の少ない半導体素子を実現できる。

電極膜厚に関して、第 1の電極と同様に、第 2の電極を厚く形成すると、半導体層積層側にさらに効率よく光を戻すことができ、素子側面からの光放出効率が向上する。逆に、第 2の電極を薄く形成すると、、第 1の電極は透光性を有するようになり、発光素子の場合、素子内部で発生した光が効率よく外部に放出され、受光素子の場合、外部から到来する光が効率よく素子内部に入射する。

また本発明において、第 2の電極は、第 2導電型の半導体層の表面において第

1の電極の周囲を囲むように形成されていることが好ましい。こうした第 2の電極を形成することによって、素子を通電した場合、エレクト口マイグレーション等による銀原子の移動を阻止できる。即ち、第 1の電極に含まれる銀原子が、第 1の電極から素子の側面を通って、第 1導電型の半導体層もしくは基板に形成された他方の電極（例えば後述する第 3の電極）に向かって移動しょうとする場合、第 2の電極の存在によって銀原子の移動が止まって、銀の再析出などに起因した素子の短絡や絶縁抵抗の低下を防ぐことができる。

また本発明において、第 1の電極と第 2導電型の半導体層との接触部における電位障壁は、第 2の電極と第 2導電型の半導体層との接触部における電位障壁より小さいことが好ましい。これにより半導体素子を通電した場合、第 2の電極からよりも第 1の電極から第 2導電型の半導体層へ電流が流れやすくなり、例えば発光素子の場合、第 1の電極からの注入キャリアによる発光が強くなり、光利用効率が向上する。逆に、第 2の電極と第 2導電型の半導体層との接触部における電位障壁が小さいと、エレクトロマイグレーション防止用の第 2の電極の方に電流が流れやすくなり、光利用効率が低下してしまう。

また本発明において、第 1の電極と第 2導電型の半導体層との接触部におけるォーミック性は、第 2の電極と第 2導電型の半導体層との接触部におけるォーミック性より良好であることが好ましい。これにより半導体素子を通電した場合、第 2の電極からよりも第 1の電極から第 2導電型の半導体層へ電流が流れやすくなり、例えば発光素子の場合、第 1の電極からの注入キャリアによる発光が強くなり、光利用効率が向上する。逆に、第 2の電極と第 2導電型の半導体層との接触部における電位障壁が小さいと、エレクト口マイグレーション防止用の第 2の電極の方に電流が流れやすくなり、光利用効率が低下してしまう。

また本発明において、第 1の電極は、ロジウム（R h ) 、パラジウム（P d ) 、ニッケノレ（N i ) および白金（P t ) のうち少なくとも 1つを含有することが好ましい。これにより第 1の電極は、熱的に安定し、光吸収が少なくなり、 G a N 系半導体とのォーミック接触が容易に得られる。

また本発明において、第 2の電極は、第 1の電極と同電位、または第 1の電極より高い電位に設定されることが好ましい。これにより第 1の電極と第 2の電極との間で電位差がなくなり、あるいは第 2の電極から第 1の電極へ下る電位勾配が形成される。その結果、第 1の電極に含まれる銀原子の移動が抑制され、エレクトロマイグレーションの発生を防止できる。

また本発明において、第 2の電極は、第 2導電型の半導体層の表面において、第 1の電極と部分的に接触していることが好ましい。第 2の電極の一部が第 1の電極に接するように形成されることで、第 1の電極と第 2の電極を容易に同電位とすることができ、エレクト口マイグレーションの発生を抑制できる。第 2の電極の一部が第 1の電極と接する態様として、第 2の電極と第 1の電極とが導通していればよく、例えば数 n m程度の幅の第 2の電極が第 1の電極に棒状に伸びて第 1の電極に接して形成されていてもよく、あるいは第 1の電極が第 2の電極に棒状に伸びて第 2の電極に接して形成されていてもよく、さらには第 1の電極および第 2の電極とは別個の導電性材料が第 1の電極および第 2の電極の両方に接して形成されていてもよい。こうした導通部は小さい面積であるほど光の取り出し面を大きくすることができる。このように第 2の電極と第 1の電極とが導通している部分を導通部とすると、この導通部はできるだけ面積が小さいことが好ましい。より好ましくは、第 1の電極と第 2の電極との間の非電極形成領域における最短距離よりも短い幅を有する導通部を形成する。

また、第 2の電極と第 1の電極との導通部は、第 1の電極の上に第 2の電極が覆いかぶさって形成されていてもよく、第 2の電極が第 1の電極に覆いかぶさつて形成されていてもよい。

また、第 2の電極の一部が第 1の電極と接する別の態様として、上述のような導通部を意図的に形成しなくてもよく、銀を有する第 1の電極と第 2の電極との間に電圧を印加して、銀のエレクトロマイグレーションを発生させることによつて、第 1の電極と第 2の電極との間が短絡して導通するようになり、その結果、両方の電極は同電位となる。仮にエレクトロマイグレーションによる導通部分がいずれ断線したとしても、続いて別の場所でエレクトロマイグレーションが起こるので、継続的な導通を維持でき、実質上、第 1の電極が第 2の電極と同電位となる。

また本発明において、外部取り出し用のパッド電極が、第 1の電極および第 2 の電極の両方に接触するように形成されていることが好ましい。第 2導電型の半導体層の表面に、ボンディングパッド等のパッド電極を形成する場合、ボンディングパッドは第 1の電極または第 2の電極のいずれ力一部に接して形成されていればよく、第 1の電極上のみに形成してもよく、第 2の電極上のみに形成してもよく、また第 1または第 2の電極から延伸して形成し、第 1および第 2の電極から離れた位置でワイヤ等とボンディングしてもよい。好ましくは第 1の電極および第 2の電極それぞれの一部に渡って、第 1および第 2の電極上に設けてもよく、それぞれの一部に渡って形成することで、容易に第 1の電極と第 2の電極とを同電位にすることができる。

なお、ボンディングパッドは、ワイヤ等と実装するための電極であるので、実装時に半導体素子を傷めないように形成するためにはある程度の膜厚が必要であり、第 1の電極および第 2の電極と比較して膜厚は厚く形成される。ここで、発光素子の場合、第 2導電型の半導体層側から光を取り出す場合には、ボンディングパッド部からは光は外部に放出されないので、ボンディングパッドを第 1の電極と第 2の電極とに渡つて形成する場合は、ボンディングパッドはできるだけ小さく形成することが必要である。

本発明の半導体素子は、第 2導電型の半導体層および第 1導電型の半導体層の露出部、および半導体層が積層された素子の側面に連続して S i O ₂, S i N等の電気絶縁性を有する膜を形成してもよい。この絶縁性を有する膜を形成することで、素子が保護され信頼性の高い半導体素子が得られる。特に、この絶縁性を有する膜は第 2導電型の半導体層の表面の電極非形成部に設けることが好ましく、これにより第 1の電極の銀のエレクトロマイグレーションの発生を抑えることができる。

また、素子の保護を目的として、銀を含有する第 1の電極および第 2の電極の上にも S i O ₂， S i N等の電気絶縁性膜を形成することが好ましい。この場合、素子の温度上昇によって、銀の酸化物が生ずると、第 1の電極の光反射特性が低下する傾向があることから、酸素を含まない材料、例えば S i Nで電気絶縁性膜を形成することが好ましい。

また、ボンディングパッド等のパッド電極を形成する場合、ボンディングパッドと第 2導電型の半導体層との間に絶縁性を有する膜を設けることで、第 1の電極および第 2の電極と電極非形成部との段差を小さくすることができ、その上に形成するボンディングパッドが平坦な面となり実装しやすくなるので好ましレ、。また本発明において、第 2導電型の半導体層表面は、第 1の電極を形成する領域と第 2の電極を形成する領域との間に、電極を形成しない電極非形成領域を有することが好ましい。この電極非形成領域は、第 1の電極と第 2の電極との最短距離が 0 . 5 μ πι以上となるように設けられることが好ましい。

第 1の電極は少なくとも銀を有する材料からなるが、銀は 3 4 0 n m程度から長波長の光を反射しやすい性質がある。例えば 3 4 0 n m以上に発光のピークを有する発光素子の場合、第 1の電極の下部で発光する光を反射してしまい、第 2 導電型の半導体層側からの光は外部に効率よく放出されない。そこで、第 1の電極と第 2の電極との間に非電極形成領域を設けることで、光は外部に効率よく放出されるようになる。このように非電極形成領域を設けると、発光した光は第 1 の電極と発光素子の電極を形成していないもう一方の表面（ステムなどにマウントされており、そのマウントされた面）との間で反射を繰り返し、その光の多くは最終的には電極非形成領域から外部に出ていくことになる。また、電極非形成領域を設けることで、第 2の電極に用いる金属材料の選択に制限はなくなり、発光した光に対して吸収しゃすい材料を用いても光の取り出し効率のよい発光素子を得ることができる。また本発明において、第 1の電極は、第 1の電極の外郭より内側において、第 2導電型の半導体層が露出した開口部を有することが好ましい。こうした開口部を設けることで、例えば 3 4 0 n m以上に発光のピークを有する発光素子の場合、第 1の電極の下部で発光する光は、第 1の電極形成部で反射する力開口部においては光を外部に放出する。また、発光した光は第 1の電極と発光素子の電極を形成していないもう一方の表面（ステムなどにマウントされており、そのマウントされた面）との間で反射を繰り返した光も、その多くは最終的には開口部から外部に出ていくことになり、光の取り出し効率が向上する。

また本発明において、半導体素子は発光素子であり、第 2導電型の半導体層の表面における発光領域において、第 1の電極の周縁部での発光強度が周縁部以外の発光領域よりも高いことが好ましい。ここで、第 1の電極の周縁部とは、第 1 の電極を形取る輪郭に相当し、開口部を形成する場合はその開口部の輪郭もすベて周縁部に含まれる。こうした開口部輪郭を含む第 1の電極の周縁部では、強い発光を示す。これは、第 1の電極の周縁部で局所的に高い電界が生じて、電極周縁部で最も電流が強く流れるからと考えられる。よって、この開口部は第 1の電極に対する開口率を一定とした場合、第 1の電極の周縁部の距離を長く形成する方が強い発光を示す部分が多くなり、また v_fが下がる傾向にあり好ましく、具体的には第 1の電極を形成後、円形の開口部を複数設ける場合、円の直径を小さくし、開口部となる円の個数を多数形成する程、 v _fが下がる。

また本発明において、第 1の電極において、第 2導電型の半導体層が露出した複数の開口部の総面積 S aと、第 2導電型の半導体層が露出していない非開口部の面積 S bとを合計した値を Sとし、各開口部の内周長の総和を Lとして、 LZ S≥0. 0 2 4 Ai m z m ² が成立することが好ましい。これにより、第 2導電型の半導体層の表面における発光領域において、光の取り出し効率が向上し、低い V _fを示す半導体素子が得られる。

また本発明において、各開口部は、略同一形状または略同一面積を有することが好ましい。これにより、開口部の形成が容易になり、面内発光分布が均一になり、光の取り出し効率が向上する。

図 1 5は、開口率が同じ、すなわち、開口部 5の総面積は同じで、開口部 5の内周長を変化させたときの電力変換効率を示すダラフである。開口部 5の総面積が同じであることで、第 1の電極 1と p型導電性を有する半導体層 1 0 4との接触面積も同じであるので、 V _fおよび量子効率は同じと考えられる。し力し、内周長を変化させることで、電力変換効率は図 1 5のグラフのように変化するのである。 ―

このグラフより開口率は同じでも、開口部の内周長を変化させることで、さらに高出力とすることができることがわかる。そして、本発明では、 L_ S≥0 . 0 2 4 x m/ m² を満たすような範囲とすることで、高出力の発光素子が得られる。 LZSが 0 . 0 2 4 ju m/ m² より小さくなると、開口部 5を設けた効果が少なくなるので好ましくない。また、上限は特に定めていないが、実質的には l / m m² より大きくなると、開口部 5の 1つの大きさが小さくなり過ぎて実用的でなくなる。

上述のように、 P型導電性を有する半導体層 1 0 4側からの出力効率が、開口部 5の総面積よりも開口部 5の内周長によって大きく左右されるのは、電極と半導体層 1 0 4との境界において特に強い発光が観測されるためであり、その境界を多くして、即ち内周長を長くすることで効率よく光を放出させることができる。境界をさらに多くするためには、開口部だけでなく、さらに、第 1の電極 1の最外周部を直線ではなく、屈折させた連続線によって半導体層 1 0 4の端部に沿うように設けることで、第 1の電極 1と半導体層 1 0 4との境界を多くすることができ、さらに出力を向上させることができる。

上記のような複数の開口部は、ほぼ同じ形状とするように形成することで、複数の開口部を効率よく形成しやすくなる。. さらに、面内分布も均一になりやすく、ムラのない発光を得ることができる。形状としては、方形、円形、三角形など、種々の形状を用いることができる。開口部は、好ましくは方形であり、隣接する開口部と一定の距離間隔をあけて均一に分散させるように複数形成することで、均一な発光が得られ易くなる。また、各開口部の面積をほぼ同じになるように形成することで、開口部の形成位置によって好ましい形状を選択することができる。開口部輪郭を含む第 1の電極の周縁部の断面形状は、電極端面が垂直な矩形断面形状によりも電極端面が上向きに傾斜したメサ形状が好ましく、これにより電極周縁部での発光強度が高くなり、全体として光の取り出し効率が向上する。図 1 1 Aは電極端面角度 6力 S 90° である場合を示す部分断面図であり、図

1 1 Bは電極端面角度 0が 90° 未満である場合を示す部分断面図である。電極端面が半導体層表面に対して垂直であると、電極周縁部から放射される光は、素子上方よりも側方へ偏向するようになる。一方、電極端面が半導体層表面に対して傾斜していると、電極周縁部から放射される光は素子上方に多く分布するようになる。その結果、電極周縁部での発光強度が高くなり、全体として光の取り出し効率が向上する。

半導体層表面に対する電極端面角度 0は、 30° 0 < 90° の範囲が好ましい。角度 Θが 30° 未満になると、電極スロープ部分での電気抵抗が高くなり、エツジ部分での発光強度が低下するようになることから、角度 0は 30° 以上が好ましい。

本発明の半導体素子は特にガリゥムを含む窒化物半導体において顕著な効果を示す。ガリウムを含む窒化物半導体（GaN系半導体）とは、 A l _x I n_yG_{& 1} __x__yN (0≤x、 0≤y, x + y < 1) からなる半導体を意味し、ガリウムを含む窒化物半導体が半導体素子の一部を構成していればこれに含まれる。すなわち A 1 _x I n_yGa _{x y}N (0≤x, 0≤y, x + yく 1) の他の窒化物半導体層が、ホウ素を含んでいても、リンを含んでいてもこれに含まれる。特に G a N系半導体は不純物をドープしない（アンドープの）場合、導電型は n型を示し、 Mgなどの p型となる不純物をドープすることで p型を示す。しかしながら p型の G a N系半導体は低抵抗化しにくく、 n型の G a N系半導体と比べて抵抗率が高い。そのため G a N系半導体に流れる電流は!)型半導体層中では広がりにくいので、 p電極を p側コンタクト層の全面に形成し、 p型半導体層全面で均一に電流が流れるようにしている。したがって、銀を有する第 1の電極と銀を有しない第 2の電極を半導体層の表面に設け、それぞれの電極に種々の特徴を有する本発明はの構成は、とくに G a N系半導体で顕著な効果を示す。

ここで、第 1の電極および第 2の電極を形成する第 2導電型の半導体層は _P型導電性を有するガリウムを含む窒化物半導体（Ga N系半導体）であることが好ましく、さらに好ましくは Mgをドープした A l _mG_{a i}— _mN (0≤m< l) とし、最も好ましくは M gをドープした G a Nとする。 M gをドープした A l _mG a ( 0≤m < 1 ) は G a N系半導体のなかでも比較的結晶性よく形成でき、

_{M g}をドープした A i _{m G a i}— _mN ( 0≤m < 1 ) の表面は平滑な面となり、第 1の電極おょぴ第 2の電極、さらにはパッド電極といった、本発明のような複雑な電極構造でも信頼性よく形成でき、とくに m= 0のときの、 M gをドープした G a Nは p型導電性を有する G a N系半導体のなかでも容易に低抵抗に形成できるため、電極とのォーミック接触が得られやす、。

また本発明において、第 2導電型の半導体層の部分エッチングによって第 1導電型の半導体層が露出しており、第 1導電型の半導体層の露出した表面に第 3の電極が形成されていることが好ましい。

本発明の半導体素子は 2つの主面を有し、第 2導電型の半導体層の表面を第 1 の主面とし、基板側を第 2の主面とする場合、第 1の主面上に第 1の電極および第 2の電極を形成し、第 2の主面上に第 3の電極を形成してもよい。 S i C基板などの導電性を有する基板を用いた場合、基板に第 1導電型の電極を形成することができる。しかしながら、本発明の半導体素子の第 1導電型の半導体層の表面に形成する電極（以下、第 3の電極と称することがある）は、第 2導電型の半導体層の一部がエッチングされて露出する第 1導電型の半導体層の表面に形成されていてもよい。たとえばガリウムを含む窒化物半導体（G a N系半導体）は好ましくはサファイア基板などの絶縁性の基板上に G a N系半導体を成長させる。このような絶縁性の基板上に第 1導電型の半導体層と第 2導電型の半導体層を順に積層した半導体素子は、サファイア基板側から電極を取ることが困難であり、第 1導電型の半導体層に形成する第 3の電極は、第 2導電型の半導体層の表面の一部をェツチングして第 1導電型の半導体層の表面を露出して形成しなければならず、裏面から他方の電極を取ることができない。このような裏面から他方の電極を取ることができないように形成された半導体素子はとくに、銀を含む第 1の電極を用いた場合、銀が第 1の電極から第 3の電極に向かって、エレクトロマイダレーションを起こしゃすく、その場合本発明の構成とすることで、顕著に本発明の効果が発揮される。ここで第 3の電極は第 1導電型の半導体層と良好なォーミック接触が得られる材料であればよレ、。本発明の半導体素子は、第 1導電型の半導体層を n型の半導体層とし、第 2導電型の半導体層を p型の半導体層とすることが好ましい。前述のように、 G a N 系半導体は不純物をドープしない（アンドープの）場合、導電型は n型を示し、 M gなどの p型となる不純物をドープすることで; p型を示すが、 M gをドープして G a N系半導体を成長させるだけでは良好な ρ型を示す G a N系半導体は得られず、基板上に n型の半導体層と M gをドープした半導体層を積層後、例えば 6 0 0 °Cでァニーリングすることで、 M gが電気的に活性化し、低抵抗の p型の G a N系半導体を得ることができる。これは 1つの考えとして、 ρ型の G a N系半導体層に含まれる水素がァニーリングにより除去されることで、低抵抗化が起こるとも考えられている。このようにァエーリングにより低抵抗化する場合、低抵抗ィ匕する層は基板から最も離れた側に設けることで、水素が効率よく除去されるので、第 1導電型の半導体層を n型、第 2導電型の半導体層を p型とすることが最も好ましい形態といえる。

本発明は、 G a N系半導体が積層された半導体発光素子について説明してきた力上記条件を満たす半導体素子であれば、発光素子に限られるものではなく、また G a N系半導体に限られるものではない。

また本発明において、第 1導電型の半導体層とは、 1層以上の第 1導電型の半導体を有するものであり、第 2導電型の半導体層とは、 1層以上の第 2導電型の半導体層を有するものである。

以下、本発明の具体的な構成例について説明する。

[実施例 1 ]

本実施例は、サファイア等の基板 1 0 1上に n型導電性の窒化物半導体層 1 0 2 ( n型導電型の半導体層）、活性層 1 0 3、 p型導電性の窒化物半導体層 1 0 4 ( p型導電型の半導体層）が積層された構造を有する。図 1 (斜視図）および図 2 (上面から見た平面図）に示すように、この半導体素子は所定の領域で p型導電性の窒化物半導体層 1 0 4、活性層 1 0 3および n型導電性の窒化物半導体層 1 0 2の一部を除去して、 n型導電性の窒化物半導体層 1 0 2に電極を形成するための表面が露出している。

この半導体素子の p型導電性の窒ィヒ物半導体層 1 0 4の表面の外形を形取るように、さらに露出された n型導電性の窒化物半導体層 1 0 2の表面の全面にレジストを塗布し、スパッタリングにより銀を含有する第 1の電極 1を全面に形成し、さらにレジストを除去することで第 1の電極 1を形成する。次に形成した第 1の電極 1の外形に沿って、第 1の電極 1より外側で、 p型導電性の窒化物半導体層 1 0 4の表面の外形に沿って、 p型導電性の窒化物半導体層 1 0 4の外形の内側に第 2の電極が形成されるように、レジストを塗布し、銀を含まない第 2の電極 2を全面に形成し、さらにレジストを除去することで第 2の電極 2を形成する。次にレジスト塗布およびスパッタリングにより、 n型導電性の窒化物半導体層 1 0 2の露出面に WZ A 1 /W/ P t /A uよりなる n側電極 3 ( n導電型側の電極）を形成する。

この発光素子を第 1の電極 1と第 2の電極 2に正極、 n側電極 3に負極を接続し、電圧をかけ、発光させたところ、後述の比較例 1に示す発光素子に対して、光取り出し効率に 1 5 0 %の向上が観測された。

[比較例 1 ]

本比較例は、サファイア基板 3 0 1上に n型導電性の窒化物半導体層 3 0 2

( n型導電型の半導体層）、活性層 3 0 3、 p型導電性の窒ィ匕物半導体層 3 0 4 ( P型導電型の半導体層）が積層された構造を有する。図 1 2に示すように、この半導体素子は所定の領域で _p型導電性の窒化物半導体層 3 0 4、活性層 3 0 3 および n型導電性の窒化物半導体層 3 0 2の一部を除去して、 n型導電性の窒化物半導体層 3 0 2に電極を形成するための表面が露出している。

次にレジスト塗布およびスパッタリングにより、この窒化物半導体素子の p型導電性の窒化物半導体層 3 0 4の表面のほぼ全面に N i ZA uよりなる p側電極 3 0 6 (第 2導電型側電極）を形成し、 n型導電性の窒化物半導体層 3 0 2の露出面に T i /A 1よりなる n側電極 3 0 7 ( n導電型側の電極）を形成する。この発光素子を p側電極 3 0 6に正極、 n側電極 3 0 7に負極を接続し、電圧をかけ、発光させた。このときの光取り出し効率を基準値 1 0 0 %とする。

[実施例 2 ]

本実施例は、サファイア等の基板上 1 0 1に n型導電性の窒化物半導体層 1 0 2 ( n型導電型の半導体層）、活性層 1 0 3、 _P型導電性の窒化物半導体層 1 0 4 ( p型導電型の半導体層）が積層された構造を有する。図 3に示すように、この半導体素子は所定の領域で p型導電性の窒化物半導体層 1 0 4、活性層 1 0 3 および n型導電性の窒化物半導体層 1 0 4の一部を除去して、 n型導電性の窒化物半導体層 1 0 4に電極を形成するための表面が露出している。

次に第 2の電極形成部以外の p型導電性の窒化物半導体層 1 0 4の表面および n型導電性の窒化物半導体層 1 0 2の表面の全面にレジストを塗布し、スパッタリングにより第 2の電極 2を形成し、さらにレジストを除去することで第 2の電極 2を形成する。このとき第 2の電極 2は p型導電性の窒化物半導体層 1 0 4の表面の外形を形取るような形状で、さらに一部で幅 0 . 3 // m、長さ 0 . 8 / m が p型導電性の窒化物半導体層の表面の内部に向かって伸びた状態で、後で形成する第 1の電極との導通部 2 aを設ける。

次に第 2の電極 2より内部の： p型導電性の窒化物半導体層 1 0 4の表面に第 1 の電極 1を設ける。これはまず第 1の電極形成部以外の p型導電性の窒化物半導体層 1 0 4の表面および n型導電性の窒化物半導体層 1 0 2の表面の全面にレジストを塗布し、スパッタリングにより銀よりなる第 1の電極 1を形成し、さらにレジストを除去することで第 1の電極 1を形成する。このとき第 1の電極 1は第 2の電極 2の導通部 2 a (幅 0 . 3 μ m、長さ 0 . 8 μ m) の先端に一部（例えば幅 0 . 3 i m、長さ 0 . 3 / m) が覆いかぶさるように形成する。

次にレジスト塗布およびスパッタリングにより、 n型導電†生の窒化物半導体層 1 0 2の露出面に WZA 1 /W/ P t /A uよりなる n側電極 3 ( n導電型側の電極）を形成する。

この発光素子を第 1の電極 1と第 2の電極 2に正極、 n側電極 3に負極を接続し、電圧をかけ、発光させたところ、光取り出し効率は実施例 1とほぼ同等であり、さらに発光ムラはほとんど観測されなかった。

[実施例 3 ]

実施例 1の発光素子において、図 4に示すように、第 1の電極 1と第 2の電極 2との間に、第 1の電極が一部で幅 0 . 3 i m、長さ 0 . 8 mが p型導電性の窒化物半導体層の表面の外部に向かって伸びた状態で、第 2の電極との導通部 1 aを設ける。このとき第 1の電極 1の導通部 1 aは先端の一部（例えば幅 0 . 3 111、長さ0 . 3 /z m) が第 2の電極 2の上部に覆い力ぶさるように形成する。この発光素子を第 1の電極 1と第 2の電極 2に正極、 n側電極 3に負極を接続し、電圧をかけ、発光させたところ、光取り出し効率は実施例 1とほぼ同等であり、さらに発光ムラはほとんど観測されなかった。

[実施例 4 ]

実施例 1の発光素子において、図 5に示すように、発光素子の積層方向からみて、 n側電極 3と同じ対角線上で反対の隅部に、金からなる！)側パッド電極 4を形成する。この P側パッド電極 4は第 1の電極 1と第 2の電極 2との一部に渡つて形成される。すなわち p側パッド電極 4は p型導電性を有する窒ィヒ物半導体層と、第 1の電極 1と第 2の電極とにそれぞれ部分的に接触している。この発光素子を第 1の電極 1と第 2の電極 2に正極、 n側電極 3に負極を接続し、電圧をかけ、発光させたところ、光取り出し効率は実施例 1より低いが比較例 1よりも光取り出し効率の高い発光素子が得られた。

[実施例 5 ]

実施例 1の発光素子において、図 6に示すように、銀を含有する第 1の電極 1 の内部に; 型導電性を有する半導体層が露出するようにエッチングして直径 2 0 β mの円形の開口部 5を、開口部の面積が第 1の電極 1に対し開口率が 5 0 %となるように、複数設ける。電圧をかけ、発光させたところ、実施例 1とほぼ同等の光取り出し効率を有し、かつ実施例 1と比較して V _fの小さい発光素子が得られた。

[実施例 6 ]

実施例 1の努光素子において、図 7に示すように、銀を含有する第 1の電極 1 の内部に p型導電性を有する半導体層が露出するようにエッチングして直径 1 0 μ mの円形の開口部 5を、開口部の面積が第 1の電極に 1対し開口率が 5 0 %となるように、複数設ける。電圧をかけ、発光させたところ、実施例 1とほぼ同等の光取り出し効率を有し、かつ実施例 5よりもさらに V _fの小さい発光素子が得られた。このように、開口部 5を設ける場合、開口部の面積を小さくし、その開口部 5を複数設けることで、 V _fが下げるという効果が観測された。

[実施例 7 ] 実施例 1の発光素子において、図 8 A〜図 8 Bに示すように、 p型導電性を有する半導体層 104の上に、銀を含有する第 1の電極 1と、第 1の電極 1の外側を取り囲むように銀を含有しない第 2の電極 2とが形成される。第 1の電極 1は、 S i 0₂ や S i N等の絶縁保護膜½覆われている。

金からなる p側パッド電極 4は、発光素子の積層方向からみて、 n側電極 3と同じ対角線上で反対の隅部に形成される。第 1の電極 1には、一辺 5 μ m角の略四角形の開口部 5がほぼ全面に渡って 1 50個形成される。

こうして得られた発光素子は、露出する開口部 5の内周長の総和 Lは 3000 mとなり、第 1の電極 1の最外周部で囲まれた露出面積 Sは 46000 μ α² であり、これらの比 L/Sは 0. 06 5である。また、露出する開口部 5の総面積と露出面積 Sとの比である開口率は 6. 25%であり、 V_fが 3. 4V、発光出力が 1 1. 5 mW、電流値 20 mAで電力変換効率が約 1 6. 9 °/₀となった。このように第 1の電極 1に複数の開口部 5を形成することによって、発光出力が増加するようになる。

[実施例 8]

実施例 7の発光素子において、第 1の電極 1に一辺 2. 5 μ m角の略四角形の開口部 5がほぼ全面に渡って 600個形成される。

こうして得られた発光素子は、露出する開口部 5の内周長の総和 Lは 6000 mとなり、第 1の電極 1の最外周部で囲まれた露出面積 Sは 46000 μτη^ζ であり、これらの比 L/Sは 0. 1 3である。また、露出する開口部 5の総面積と露出面積 Sとの比である開口率は 6. 25%であり、 V_fが 3. 4V、発光出力が 1 2 mW、電流値 20 m Aで電力変換効率が約 1 7. 4 %となった。このように第 1の電極 1に複数の開口部 5を形成することによって、発光出力が増加するようになる。

[実施例 9]

実施例 1の発光素子において、図 9 A〜図 9 Bに示すように、 p型導電性を有する半導体層 1 04の上に、銀を含有する第 1の電極 1と、第 1の電極 1の外側を取り囲むように銀を含有しない第 2の電極 2とが形成される。

金からなる p側パッド電極 4は、発光素子の積層方向からみて、 n側電極 3と同じ対角線上で反対の隅部に形成される。第 1の電極 1は、図 9 Aまたは図 9 B に示すように、ストライプ状に形成される。こうしたストライプ電極構造を採用することによって、 p側パッド電極 4から半導体層 1 0 4に供給される電流が面内に均一化され、発光効率が向上する。

第 1の電極 1のストライプ隙間は、半導体層 1 0 4が露出する開口部 5として形成されるため、電極エッジ長を格段に增加させることができ、その結果、光取り出し効率が向上する。このとき、半導体層 1 0 4が露出した複数のストライプ隙間に対応する開口部 5の総面積 S aと、導体層 1 0 4が露出していない電極部分の面積 S bとを合計した値を Sとし、開口部 5内周長の総和を Lとして、 LZ S≥0 . 0 2 4 ; mZ〃m ² が成立することが好ましい。

こうして得られた発光素子は、 V _fが 3 . 5 V、発光出力が 1 0 mW、電流値 2 0 m Aで電力変換効率が約 1 4. 3 %となつた。

産業上の利用の可能性

以上説明したように、本発明では基板上に少なくとも第 1導電型の半導体層と第 1導電型と異なる第 2導電型からなる半導体層が順に積層されて、第 1導電型の半導体層表面および第 2導電型の半導体層の表面には電極が形成されてなる半導体素子において、第 2導電型の半導体層の表面に、少なくとも銀を有する第 1 の電極と第 1の電極の周囲をすベて囲むように銀を有しない第 2の電極を形成する。このような構成によって、光取り出し効率がよく、短絡の起こらない信頼性の高い素子を得ることができる。

また、さらに第 1の電極は、第 1の電極の外郭より内側において、第 2導電型の半導体層が露出された開口部を有することで V _fが低下した素子を得ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 基板上に少なくとも第 1導電型の半導体層と第 1導電型と異なる第 2導電型からなる半導体層が順に積層されて、第 2導電型の半導体層の表面には電極が形成されてなる半導体素子において、

該第 2導電型の半導体層の表面には、少なくとも銀を含有する第 1の電極と、銀を含有しない第 2の電極がそれぞれ形成されてなる半導体素子。

2 . 第 1の電極は、銀、銀—ニッケル合金、銀一パラジウム合金、銀一口ジゥム合金または銀一白金合金からなる層を有する請求項 1に記載の半導体素子。

3 . 第 2の電極は、第 2導電型の半導体層の表面において、第 1の電極の周囲を囲むように形成されている請求項 1または 2に記載の半導体素子。

4 . 第 1の電極と第 2導電型の半導体層との接触部における電位障壁は、第 2 の電極と第 2導電型の半導体層との接触部における電位障壁より小さい請求項 1 〜 3のいずれかに記載の半導体素子。

5 . 第 1の電極と第 2導電型の半導体層との接触部におけるォーミック性は、第 2の電極と第 2導電型の半導体層との接触部におけるォーミック性より良好である請求項 1〜 3のいずれかに記載の半導体素子。

6 . 第 1の電極は、ロジウム、パラジウム、ニッケルおよび白金のうち少なくとも 1つを含有する請求項 1〜 5のいずれかに記載の半導体素子。

7 . 第 2の電極は、第 1の電極と同電位、または第 1の電極より高い電位に設定される請求項 1〜 6のいずれかに記載の半導体素子。

8 . 第 2の電極は、第 2導電型の半導体層の表面において、第 1の電極と部分的に接触している請求項 7に記載の半導体素子。

9. 外部取り出し用のパッド電極が、第 1の電極および第 2の電極の両方に接触するように形成されている請求項 8に記載の半導体素子。

1 0 . 第 2導電型の半導体層表面は、第 1の電極を形成する領域と第 2の電極を形成する領域との間に、電極を形成しない電極非形成領域を有する請求項 1〜 9のいずれかに記載の半導体素子。

1 1 . 電極非形成領域は、第 1の電極と第 2の電極との最短距離が 0 . 5 μ m 以上となるように設けられる請求項 1 0に記載の半導体素子。

1 2 . 第 1の電極は、第 1の電極の外郭より内側において、第 2導電型の半導体層が露出した開口部を有する請求項 1〜 1 1のいずれかに記載の半導体素子。

1 3 . 半導体素子は発光素子であり、第 2導電型の半導体層の表面における発光領域において、第 1の電極の周縁部での発光強度が周縁部以外の発光領域よりも高、請求項 1〜 1 2の！/、ずれかに記載の半導体素子。

1 4 . 第 1の電極において、第 2導電型の半導体層が露出した複数の開口部の総面積 S aと、第 2導電型の半導体層が露出していない非開口部の面積 S bとを合計した値を Sとし、各開口部の内周長の総和を Lとして、 L/ S 0 . 0 2 4 ^ m/ i m ² が成立する請求項 1 2または 1 3に記載の半導体素子。

1 5 . 各開口部は、略同一形状または略同一面積を有する請求項 1 4に記載の半導体素子。

1 6 . 半導体層は、少なくともガリゥムを含む窒化物半導体で形成されている請求項 1〜 1 5のいずれかに記載の半導体素子。

1 7 . 第 2導電型の半導体層の部分エッチングによって第 1導電型の半導体層が露出しており、第 1導電型の半導体層の露出した表面に第 3の電極が形成されている請求項 1〜 1 6のいずれかに記載の半導体素子。

1 8 . 第 1導電型の半導体層は n型の半導体層であり、第 2導電型の半導体層は p型の半導体層である請求項 1〜 1 7のいずれかに記載の半導体素子。