WO2012157163A1 - 半導体発光素子 - Google Patents

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WO2012157163A1
WO2012157163A1 PCT/JP2012/001919 JP2012001919W WO2012157163A1 WO 2012157163 A1 WO2012157163 A1 WO 2012157163A1 JP 2012001919 W JP2012001919 W JP 2012001919W WO 2012157163 A1 WO2012157163 A1 WO 2012157163A1
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light emitting
semiconductor light
electrode
conductivity type
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康一 玄永
徳彦 松永
近藤　且章
伸仁 布谷
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株式会社 東芝
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Definitions

  • the embodiments described herein generally relate to semiconductor light emitting devices.
  • LEDs light emitting diodes
  • the light extraction efficiency can be increased by providing a reflective metal layer on the rear side of the light emitting layer of the semiconductor light emitting element and reflecting the emitted light directed toward the rear side from the light emitting layer toward the front side.
  • a semiconductor light emitting device includes a light emitting layer, a first electrode having a reflective metal layer, an insulating layer, a first conductivity type layer, a second conductivity type layer, and a second electrode.
  • the light emitting layer is made of a III-V group compound semiconductor.
  • the insulating layer is provided on the first electrode and has an opening in which a part of the first electrode is provided.
  • the first conductivity type layer is provided between the insulating layer and the part of the first electrode and the light emitting layer, and has a group III-V group having a band gap energy larger than that of the light emitting layer. It consists of a compound semiconductor.
  • the first conductivity type layer includes at least a first contact layer, a composition gradient layer, and a first cladding layer.
  • the second conductivity type layer is provided on the light emitting layer.
  • the second conductivity type layer has at least a current diffusion layer and a second contact layer formed in order from the light emitting layer side.
  • the second contact layer does not overlap the opening of the insulating film, and the thickness of the current diffusion layer is larger than the thickness of the first contact layer.
  • the second electrode has a pad portion and a thin portion. The pad portion is provided in a region where the second contact layer is not formed on the surface of the current diffusion layer. The thin portion extends on the second contact layer from the pad portion.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a semiconductor light emitting element according to a first embodiment.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1A. It is the typical sectional view which expanded field EN of Drawing 1B.
  • It is sectional drawing which shows the process of an example of the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device concerning 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows the process of an example of the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device concerning 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows the process of an example of the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device concerning 1st Embodiment.
  • FIG. 6B is a schematic sectional view taken along line BB in FIG. 6A. It is a graph which shows the band gap energy and refractive index distribution of a comparative example. It is a schematic diagram of an escape cone. It is a schematic diagram explaining the effect
  • FIG. 9B is a schematic cross-sectional view in which a part EN in FIG. 9A is partially enlarged. It is a graph which shows the band gap energy and refractive index of the semiconductor light-emitting device of FIG. 9A.
  • FIG. 10B is a schematic sectional view taken along line AA in FIG. 10A. It is a typical top view of the semiconductor light emitting element concerning a 3rd embodiment.
  • FIG. 11B is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. 11A. It is a schematic diagram explaining a Lambertian reflection structure. It is sectional drawing which shows the process of an example of the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device concerning 3rd Embodiment. It is sectional drawing which shows the process of an example of the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device concerning 3rd Embodiment.
  • FIG. 1A is a plan view schematically showing the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1A.
  • FIG. 1C is a schematic cross-sectional view in which the region EN of FIG. 1B is enlarged.
  • the semiconductor light emitting device is provided on a support substrate 10, a first electrode 20 provided on the support substrate 10, and a first electrode 20.
  • the semiconductor light emitting device further includes a light emitting layer 40 provided on the first conductivity type layer 37, a second conductivity type layer 50 provided on the light emitting layer 40, and a second conductivity type layer 50. And a second electrode 60 provided on the surface.
  • the light emitting layer 40 is formed of a single-layer or multilayer III-V group compound semiconductor and has a multiple quantum well (MQW) structure.
  • the composition of the light emitting layer 40 can be In x (Ga 1-y Al y ) 1-x P (where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • the group III element is indium (In), gallium (Ga), and aluminum (Al)
  • the group V element is phosphorus (P).
  • Such a light emitting layer can emit light in the wavelength range of green to red.
  • the composition of the light emitting layer 40 may be Al z Ga 1-z As (where 0 ⁇ z ⁇ 0.45).
  • the group III element is Al and Ga
  • the group V element is As
  • Such a light emitting layer can emit light in a wavelength range from red to near infrared light.
  • the composition of the light emitting layer 40 may be In s Ga 1-s As t P 1-t (where 0 ⁇ s ⁇ 1, 0 ⁇ t ⁇ 1).
  • the group III elements are In and Ga
  • the group V elements are As and P.
  • Such a light emitting layer can emit light in a wavelength range of near infrared light.
  • the composition of the light emitting layer 40 can be expressed as In u Ga v Al 1-uv N (where 0 ⁇ u ⁇ 1, 0 ⁇ v ⁇ 1, u + v ⁇ 1).
  • the group III element is In, Ga, and Al
  • the group V element is nitrogen (N).
  • Such a light-emitting layer can emit light in the ultraviolet to green wavelength range.
  • the first conductivity type layer 37 includes a first contact layer 32, a composition gradient layer 31, a first cladding layer 29, and a light guide layer 29.
  • the band gap energy of the first conductivity type layer 37 is larger than the band gap energy of the light emitting layer 40. By doing so, absorption of the emitted light by the first conductivity type layer 37 is suppressed, and a high light output can be obtained.
  • the first conductivity type layer 37 may be composed of In s (Ga 1-t Al t ) 1-s P (where 0 ⁇ s ⁇ 1, 0 ⁇ t ⁇ 1) of the first conductivity type. .
  • the first contact layer 32 is formed of a III-V group compound semiconductor having a refractive index lower than the average refractive index of the light emitting layer 40 having the MQW structure.
  • the average refractive index of the light emitting layer 40 having the MQW structure means the refractive index of the bulk semiconductor at the wavelength of the emitted light, and is defined as the average value of the refractive index of the well layer and the refractive index of the barrier layer.
  • the first contact layer 32 is made of, for example, GaP and has the first conductivity type.
  • the composition gradient layer 31 is made of a III-V group compound semiconductor, and is made of, for example, a first conductivity type In x (Ga 1-y Al y ) 1-x P (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1). It may be formed.
  • the In composition ratio x and the Al composition ratio y decrease toward the first contact layer 32. That is, the Ga composition ratio increases and the composition approaches GaP.
  • the plurality of second contact layers 56 are provided so as not to overlap the contact surfaces of the first contact layer 32 and the transparent conductive film 26.
  • the current flows between the first electrode 20 and the second electrode 60 through the plurality of openings 90a of the insulating layer 90 shown in FIGS. 1A and 1B.
  • the shortest distance between the plurality of thin line portions 60b (thin portions) of the second electrode 60 and the end portion of the opening 90a of the insulating layer 90 can be set to 5 ⁇ m, for example, when viewed from above in FIG. 1B.
  • the plurality of thin line portions 60b are formed on the plurality of second contact layers 56, respectively. These thin line portions 60b are in contact with the plurality of second contact layers 56 and the surface of the current diffusion layer 54 where the irregularities are not formed, and the pad portions 60a and the second contact layers 56 And extending on the second contact layer 56.
  • carriers injected from the plurality of thin line portions 60b constituting the second electrode 60 generate a carrier flow F2 that flows into the light emitting layer 40 while being spread in the lateral direction by the current diffusion layer 54.
  • the carriers injected from the first electrode 20 are suppressed from spreading in the lateral direction and generate a carrier flow F1 that flows into the light emitting layer 40. Therefore, it is not necessary to provide a current diffusion layer having a high impurity concentration between the first electrode 20 and the light emitting layer 40.
  • the first contact layer 32 may be constituted by a plurality of regions provided dispersed in the extending direction of the thin wire portion 60b as shown in FIG. 1A. If comprised in this way, the spreading
  • luminescent recombination increases in proportion to approximately the square of the carrier density, and non-radiative recombination increases in approximately proportional to the carrier density. For this reason, as a whole, the higher the carrier density of the current, the higher the ratio of net emission recombination, and it becomes easier to achieve high emission efficiency.
  • the plurality of openings 90a of the insulating layer 90 are rectangular, but the planar shape of the openings 90a is not limited to this, and may be a shape such as a circle, an ellipse, or a polygon. Good.
  • FIG. 2A to FIG. 2E are cross-sectional views of an example of a manufacturing method of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • FIG. 2A schematically shows a semiconductor layer of a semiconductor light emitting device in a wafer state.
  • FIG. 2B schematically shows a wafer obtained by patterning an insulating layer.
  • FIG. 2C is a diagram schematically showing a wafer obtained by forming a transparent conductive film.
  • FIG. 2D is a diagram schematically showing the wafer bonding step.
  • FIG. 2E is a view schematically showing a semiconductor light emitting device in a chip state obtained by dividing the wafer.
  • a second conductivity type layer 50 on a substrate 70 made of gallium arsenide (GaAs) for crystal growth, as shown in FIG. 1A, a second conductivity type layer 50, a light emitting layer 40, and The first conductivity type layers 37 having the configuration are stacked in this order.
  • n-type GaAs second contact layer 56 carrier concentration: 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • n-type In 0.5 Ga 0.
  • 0.5 P current diffusion layer 54 carrier concentration: 4 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3
  • n-type In 0.5 Al 0.5 P second cladding layer 52 carrier concentration: 3 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3
  • an n-type InGaAlP light guide layer 51 are sequentially formed by crystal growth.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • a light emitting layer 40 composed of a plurality of well layers and a plurality of barrier layer thin film stacks is formed on the light guide layer 51.
  • the light emitting layer 40 includes, for example, 20 well layers made of In 0.5 Ga 0.5 P and having a thickness of 4 nm, In 0.5 (Ga 0.4 Al 0.6 ) 0.
  • the barrier layer having a thickness of 5 P and having a thickness of 7 nm is a thin film stack having an MQW structure composed of 21 pieces.
  • the structure of the light emitting layer 40 is not limited to this.
  • the light guide layer 28 of p-type InGaAlP and the first clad layer 29 of p-type In 0.5 Al 0.5 P (carrier concentration: 3 ⁇ 10 17) are formed on the light emitting layer 40.
  • cm ⁇ 3 ) and p-type In x (Ga 1 ⁇ y Al y ) 1 ⁇ x P (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1) (carrier concentration: 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3) ) 31 and a first contact layer (carrier concentration: 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 ) 32 made of p-type GaP are sequentially formed.
  • the light guide layer 28 may not be provided in some cases.
  • the composition gradient layer 31 changes from the composition of the layer 29 or the lowermost layer to the composition of the first contact layer by changing the composition ratio of the group III element in the stacking direction between the surface of the layer 29 or the lowermost layer and GaP. If it is provided, crystal defects can be reduced.
  • the In composition ratio x and the Al composition ratio y are directed toward the GaP layer.
  • the composition gradient layer 31 that decreases crystal defects can be reduced.
  • the Ga composition ratio gradually increases and the composition gradually approaches GaP.
  • An MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method can be used to continuously change the composition ratio of mixed crystal elements.
  • the In composition ratio x and the Al composition ratio y can be easily changed in a linear shape, a quadratic function shape, or a step shape.
  • the thickness TG (shown in FIG. 1) of the composition gradient layer 31 is set to 0.01 ⁇ m or more and 0.1 ⁇ m or less, more desirably 0.01 ⁇ m or more and 0.05 ⁇ m or less.
  • the crystallinity of the first contact layer 32 is improved. Further, it has been found that when the thickness of the first contact layer 32 is 0.02 ⁇ m or more and 1 ⁇ m or less, the contact resistance between the first contact layer 32 and the transparent conductive film 26 can be kept low. There is no need to provide a thick contact layer to align the lattice.
  • an insulating layer 90 is formed on the first contact layer 32, and an opening 90a is further formed in the insulating layer 90.
  • a part of the first contact layer 32 exposed by the opening 90a and the insulating layer 90 are formed of tin-doped indium oxide (ITO), tin oxide, and zinc oxide.
  • ITO tin-doped indium oxide
  • tin oxide tin oxide
  • zinc oxide tin oxide
  • the transparent conductive film 26 is made of gold (Au), silver (Ag), an Ag alloy in which Ag is added with indium (In), copper (Cu), chromium (Cr), or the like.
  • Two junction metal layers 23 are formed in this order.
  • a support substrate 10 made of a material such as conductive Si is prepared, and a first bonding metal layer 22 such as AuIn is formed on the support substrate 10.
  • the surface of the second bonding metal layer 23 on the semiconductor layer side formed above the substrate 70 and the first bonding metal layer 22 on the support substrate 10 side are overlaid, heated, and pressurized. And wafer bonding.
  • the linear expansion coefficient of the silicon (Si) substrate is 4 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C., which is close to the linear expansion coefficient of the GaAs substrate 6 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. For this reason, the stress in the wafer bonding process is reduced. Furthermore, since the bonding temperature between metals can be made lower than the bonding temperature between semiconductor materials, cracking and chipping of the wafer can be further suppressed. Furthermore, when a Si substrate is used, a process of dividing a wafer into a plurality of chips by dicing or the like is facilitated.
  • the substrate 70 is removed, and the second contact layer 56 is left only in a region corresponding to the plurality of thin line portions 60b of the second electrode 60 to be formed later.
  • a plurality of thin line portions 60b extend on the patterned second contact layer 56.
  • a pad portion 60 a that connects these thin line portions 60 b is formed on the current diffusion layer 54 in a region where the second contact layer 56 is not formed.
  • the second electrode 60 including the pad portion 60a and the thin wire portion 60b can have a structure in which AuGe / Ti / (Ni) / Pt / Au is stacked from the current diffusion layer 54 side.
  • a minute unevenness 54a is provided on the surface portion of the semiconductor layer constituting the current diffusion layer 54 where the second electrode 60 is not formed by using a RIE (Reactive Ion Etching) method or a wet etching method.
  • Total reflection occurs at the interface between the current diffusion layer 54 having a flat surface and the air layer or the sealing resin layer (refractive index: about 1.5).
  • the light extraction efficiency is 10% or less.
  • the light extraction efficiency is 20% or less even when reflection from the rear surface of the back surface by the reflective metal layer 25 is taken into consideration.
  • the minute unevenness 54a is provided on the surface of the current diffusion layer 54, the light extraction efficiency can be increased.
  • a back side electrode 62 made of Ti / Pt / Au is formed on the back side of the support substrate 10.
  • the Au layer and the first contact layer 32 can be brought into contact with each other as the reflective metal layer 25 without the transparent conductive film 26 interposed therebetween.
  • an alloy layer is formed at the interface between, for example, GaP constituting the first contact layer 32 and, for example, Au constituting the reflective metal layer 25, and a part of the emitted light May be absorbed by the alloy layer. As a result, the luminance is reduced.
  • the first contact layer 32 is doped with 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 of carbon (C), 1 to 2 ⁇ 10 ⁇ 4 between the first contact layer 32 and the transparent conductive film 26.
  • a contact resistance as low as ⁇ ⁇ cm 2 can be obtained.
  • the transparent conductive film 26 made of, for example, indium tin oxide (ITO) and, for example, GaP constituting the first contact layer 32 are difficult to form an alloy layer, the alloy layer absorbs less emitted light.
  • Ag can also be used as the reflective metal layer 25.
  • the emission wavelength is 0.6 ⁇ m or less
  • the light reflectance of Au is larger than the light reflectance of Ag. Therefore, the brightness can be increased by using Ag.
  • environmental resistance including moisture resistance can be enhanced.
  • FIG. 1B when the reflective metal layer 25 is patterned so that Ag and Ag alloy constituting the reflective metal layer 25 are not exposed on the side surface of the semiconductor light emitting element, the intrusion of gas and moisture is suppressed, and the sulfide The decrease in reflectance due to can be reduced.
  • FIG. 3 is a graph showing the band gap energy and the refractive index of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • a solid line indicates a refractive index distribution, and a broken line indicates a band gap energy (eV) distribution.
  • the current spreading layer 54 is made of n-type In 0.5 (Ga 0.3 Al 0.7 ) 0.5 P (with a wavelength of 0.6 ⁇ m and a refractive index of about 3.2).
  • the second cladding layer 52 is composed of n-type In 0.5 Al 0.5 P (with a refractive index of about 3.1 at an emission wavelength of 0.6 ⁇ m).
  • the first contact layer 32 made of GaP has a band gap energy of about 2.26 eV, which is higher than the band gap energy of the light emitting layer 40 and transmits light without absorbing light in the wavelength range of about 0.55 ⁇ m or more.
  • the refractive index of the first contact layer 32 made of GaP is about 3.4 for an emission wavelength of 0.6 ⁇ m.
  • the refractive index of the composition gradient layer 31 made of In x (Ga 1-y Al y ) 1-x P (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1) changes with the composition change and approaches the refractive index of GaP. .
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the operation of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • the light from the light emitting layer 40 is emitted upward (front), side, and downward (rear) in the figure.
  • light having an incident angle larger than the critical angle is totally reflected at the interface where the refractive index changes from the higher side to the lower side, and travels upward and further sideways.
  • light having an incident angle smaller than the critical angle passes through the light guide layer 28, the first cladding layer 29, the first contact layer 32, and the transparent conductive film 26, and is reflected upward and laterally by the reflective metal layer 25. Is done.
  • the thickness TG of the composition gradient layer 31 and the thickness TC of the first contact layer 32 can be reduced, the spread DL of light in FIG. 4 in the lateral direction can be reduced.
  • the thickness TC of the first contact layer 32 is made smaller than the thickness TS of the current diffusion layer 54, carriers from the plurality of thin line portions 60 b are spread laterally and outward in the current diffusion layer 54, and the light emitting layer 40. Injected into.
  • the carriers are injected into the light emitting layer 40 while being prevented from spreading in the lateral direction. In this way, the upward light G1 can be increased, and the light extraction efficiency and luminance can be increased.
  • the refractive index NITP is about 1.7 at an emission wavelength of 0.6 ⁇ m.
  • the refractive index N CL is upward. Since the height increases stepwise, total reflection is suppressed.
  • FIG. 5 is a graph showing experimental results of the dependence of the light flux on the thickness of the first contact layer of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment.
  • the vertical axis represents the luminous flux (lm: lumen) generated by the drive current of 50 mA
  • the horizontal axis represents the thickness TC ( ⁇ m) of the first contact layer.
  • the semiconductor light emitting device that outputs the luminous flux is an InGaAlP-based material that exhibits the characteristics shown in FIG.
  • the thickness TG of the composition gradient layer 31 is in the range of 0.01 to 0.1 ⁇ m.
  • the thickness of the current spreading layer 54 is 2.5 ⁇ m.
  • the output light flux was 9 lumens (lm).
  • the light flux decreased as the thickness TC became thinner.
  • the thickness TC was 0.01 ⁇ m, for example, the light flux was 7 lumen (lm). Since the forward voltage increases exponentially as the thickness TC decreases, the thickness TC is preferably 0.02 ⁇ m or more. Further, when the thickness TC of the first contact layer 32 was 0.05 ⁇ m, the luminous flux at a driving current of 50 mA was about 9.6 lumens (lm), indicating the maximum value.
  • FIG. 6A is a plan view schematically showing a semiconductor light emitting element according to a comparative example.
  • 6B is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 6A.
  • the light emitting layer 140 constituting the semiconductor layer 158 includes, for example, a plurality of well layers made of In 0.5 (Ga 1-x Al x ) 0.5 (0 ⁇ x ⁇ 1) P, and In 0.5 (Ga An MQW structure in which a plurality of barrier layers made of 1-y Al y ) 0.5 P (x ⁇ y, 0 ⁇ y ⁇ 1) are alternately stacked can be obtained.
  • the light guide layer 139 is made of p-type InGaAlP.
  • the first cladding layer 138 is composed of p-type In 0.5 Al 0.5 P.
  • the first current spreading layer 134 includes a p-type In 0.5 (Ga 0.3 Al 0.7 ) 0.5 P layer 134 a having a thickness of 0.5 ⁇ m and a p-type GaP layer having a thickness of 1.5 ⁇ m. 134b.
  • the first contact layer 132 is configured by a p-type GaP layer having a thickness of 0.1 ⁇ m. In this case, the sum TCC of the thicknesses of the layers 134a and 134b and the first contact layer 132 constituting the first current spreading layer 134 is increased to 2.1 ⁇ m. With this setting, the current can be spread in the plane of the light emitting layer 140 and the contact resistance with the transparent conductive film (ITO film) 126 can be reduced.
  • ITO film transparent conductive film
  • the second contact layer 156 is made of n-type GaAs.
  • the second current diffusion layer 154 is made of n-type In 0.5 (Ga 0.3 Al 0.7 ) 0.5 P.
  • the second cladding layer 152 is made of n-type In 0.5 Al 0.5 P.
  • the light guide layer 151 is n-type InGaAlP. The sum of the thicknesses of the second current diffusion layer 154, the second cladding layer 152, and the light guide layer 151 is 3.2 ⁇ m.
  • a current blocking layer made of an insulating layer 190 is provided between the semiconductor layer 158 and the first electrode 120.
  • Metal layers 122 and 123 are provided, and a support substrate 110 and a back-side electrode 162 are further provided.
  • FIG. 7 is a graph showing the band gap energy and the refractive index of the semiconductor light emitting device according to the comparative example.
  • a solid line indicates a refractive index distribution, and a broken line indicates a band gap energy (eV) distribution.
  • the band gap energy of the light emitting layer 140 is lower than about 2.26 eV which is the band gap energy of GaP.
  • the refractive index of GaP is about 3.4 at a wavelength of 0.6 ⁇ m.
  • FIG. 8A schematically shows an escape cone.
  • FIG. 8B is a schematic diagram for explaining the operation of the comparative example.
  • the refractive index above (front) the interface S is n1
  • the refractive index below (back) the interface S is n2 (n1> n2).
  • the downwardly directed light G10 is reflected by the reflective metal layer 125 and is emitted from the upper light extraction surface.
  • the light G11 having an incident angle larger than that of the light G10 has the total thickness TCC of the first current diffusion layer 134 and the first contact layer 132 as large as 2.1 ⁇ m, for example, so that the lateral spreading DLL becomes large. For this reason, for example, the outward light is easily emitted from the side surface of the element, and the light extraction efficiency at the upper side is lowered. On the other hand, the light directed inward is shielded by the pad portion, and the light extraction efficiency at the top is lowered.
  • the reflected light G13 from the reflective metal layer 125 has a critical angle of incidence on the interface between the p-type In 0.5 (Ga 0.3 Al 0.7 ) 0.5 P layer 134a and the p-type GaP layer 134b. If the angle is larger than 70 degrees, total reflection occurs, and the light G13 travels downward again, so that the light extraction efficiency at the top is lowered.
  • the thickness of the first current diffusion layer 134 When the thickness of the first current diffusion layer 134 is increased, carriers injected from the first electrode 120 spread inward. As a result, together with the carriers injected from the thin line portion 160b and spreading outward, the light emitting region EER is excessively widened, and the current injection density is effectively reduced, so that the light extraction efficiency is not sufficiently increased.
  • the thickness TG of the composition gradient layer 31 and the thickness TC of the first contact layer 32 are reduced, and the light traveling from the light emitting layer 40 toward the reflective metal layer 25 and the reflected light thereof. Can be prevented from spreading laterally. As a result, the light extraction efficiency above is further increased.
  • FIG. 9A is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting element according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 9B is a schematic cross-sectional view in which the portion EN of FIG. 9A is partially enlarged.
  • FIG. 9C is a graph showing band gap energy and refractive index of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 9A.
  • the first conductivity type layer 37 is obtained by adding a current diffusion layer 30 to the configuration shown in the first embodiment.
  • a layer made of, for example, p-type In 0.5 (Ga 0.3 Al 0.7 ) 0.5 P as the current diffusion layer 30 between the composition gradient layer 31 and the first cladding layer 29. Is provided.
  • the thickness of the current diffusion layer 30 is smaller than the thickness TC of the first contact layer 32 so as to suppress the spread of light in the lateral direction between the light emitting layer 40 and the reflective metal layer 25. Is desirable.
  • the composition of the composition gradient layer 31 may be changed from In 0.5 (Ga 0.3 Al 0.7 ) 0.5 P so as to approach GaP.
  • FIG. 10A is a schematic plan view of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment.
  • FIG. 10B is a schematic cross-sectional view along the line AA in FIG. 10A.
  • the semiconductor light emitting device of the second embodiment is made of a nitride material.
  • the semiconductor light emitting device includes a support substrate 10, a first electrode 20 provided on the support substrate 10, a first conductivity type layer 37 provided on the first electrode 20, and a first conductivity type layer 37.
  • the first conductivity type layer 37 In the first conductivity type layer 37, the first contact layer 91 made of p-type GaN, the first cladding layer 92 made of p-type Al 0.15 Ga 0.85 N, and the p-type from the first electrode 20 side.
  • the first composition gradient layer 93 is formed in this order.
  • the second conductivity type layer 50 is composed of an n-type second composition gradient layer 95, an n-type second composition gradient layer 95, and an n-type Al 0.15 Ga 0.85 N from the light emitting layer 94 side.
  • a second cladding layer 96, a current diffusion layer 97 made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N, and a second contact layer 98 made of n-type GaN are formed in this order.
  • the light emitting layer 94 has an MQW structure, and is composed of In u Ga v Al 1-uv N (0 ⁇ u ⁇ 1, 0 ⁇ v ⁇ 1, u + v ⁇ 1).
  • the well layer may be In 0.1 Ga 0.9 N and the barrier layer may be In 0.02 Ga 0.98 N.
  • the first and second composition gradient layers 93 and 95 have a composition from In 0.1 Ga 0.9 N to Al 0.15 Ga 0.85 N from the light emitting layer 94 side toward the cladding layers 92 and 96, respectively. It is desirable to change gradually. According to the experiments by the inventors, when the thickness TG of the first composition gradient layer 93 is 0.01 ⁇ m or more and 0.1 ⁇ m or less, lattice matching can be facilitated with respect to GaN, and the forward voltage can be reduced. There was found. Furthermore, when the thickness TC of the first contact layer 91 is made smaller than the thickness TS of the current diffusion layer 97, it is possible to suppress the reflected light from the first electrode 20 from spreading in the lateral direction. Furthermore, it is desirable that the thickness TC of the first contact layer 91 is 0.02 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or more.
  • FIG. 11A is a schematic plan view of a semiconductor light emitting device according to a third embodiment.
  • FIG. 11B is a schematic cross-sectional view along the line AA in FIG. 11A.
  • the semiconductor light emitting device 84 of this embodiment includes a support substrate 10, a first electrode 20a provided on the support substrate 10, a first conductivity type layer 37 provided on the first electrode 20a, a first electrode A light emitting layer 40 provided on the conductive type layer 37; a second conductive type layer 50 provided on the light emitting layer 40; a second electrode 60 provided on the second conductive type layer 50; It has.
  • the first conductivity type layer 37, the light emitting layer 40, and the second conductivity type layer 50 are the same as the modification of the first embodiment shown in FIGS. 9A to 9C.
  • the first bonding electrode 22, the second bonding electrode 23, the Au film 27, the barrier metal layer 24, the reflective metal layer 25, and the transparent conductive film 26 are arranged in this order from the support substrate 10 side. Is formed.
  • the reflective metal layer 25 has a Lambertian reflection structure. Specifically, fine irregularities are provided on the surface of the reflective metal layer 25.
  • the minute unevenness may be regular or irregular, but if the uneven pitch is about the wavelength in the medium of the light emitted from the light emitting layer 40 or longer, the light diffusion effect can be enhanced. it can.
  • an insulating layer 90 having an opening 90a is provided on the surface of the first contact layer 32.
  • the light emitting layer 40ha is composed of an InAlGaP-based material, and the light emission wavelength is 600 nm.
  • the average depth of the minute irregularities is, for example, 50 to 200 nm.
  • the reflective metal layer 25 is made of a material such as Ag or an Ag alloy.
  • the average pitch of the reflective metal layer 25 is, for example, 350 to 1200 nm. According to experiments by the inventors, it has been found that the luminance of the semiconductor light emitting device having such a structure is 15% or more higher than the luminance of the light emitting device not provided with the Lambertian reflection structure.
  • FIG. 12 is a schematic diagram for explaining a Lambertian reflection structure.
  • the first contact layer 32 is composed of a GaP layer
  • the transparent conductive film 26 is composed of an ITO layer.
  • the light emitting layer 40 emits light having a wavelength of 600 nm
  • the average pitch of the concaves and convexes is 700 nm
  • the average depth is 20 nm
  • the ratio that the irradiated linear light is converted into diffused light is, for example, 40%. .
  • the conversion rate increases as the average depth of the irregularities increases. For this reason, a brightness
  • FIG. 13A to FIG. 13J are cross-sectional views illustrating steps in an example of a method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the third embodiment.
  • FIG. 13A to FIG. 13F show a process until a second junction electrode is formed on a substrate on which crystal growth is performed.
  • 13G to 13J show the wafer bonding process and subsequent steps.
  • a second conductivity type layer 50, a light emitting layer 40, and a first conductivity type layer 37 are formed on a substrate 70 made of, for example, GaAs by using the MOCVD method. Specifically, an etching stopper layer 59 and an n-type GaAs second contact layer 56 (carrier concentration: 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 ) are formed on the substrate 70. On the second contact layer 56, the current diffusion layer 54, the second cladding layer 52, and the light guide layer 51 are sequentially formed in the same manner as in the step of FIG. 2A.
  • the light emitting layer 40 is sequentially crystal-grown on the light guide layer 51 using, for example, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, or the like, as in the step of FIG. 2A. .
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • the light guide layer 28 and the first cladding layer 29 are formed as in the step of FIG. 2A.
  • a current diffusion layer 30 made of p-type In 0.5 (Ga 0.3 Al 0.7 ) 0.5 P is formed. Similar to the process of FIG. 2A, the composition gradient layer 31 and the first contact layer 32 are sequentially formed on the current diffusion layer 30.
  • the light guide layer 28 may not be provided in some cases.
  • an insulating layer 90 such as SiO 2 is formed on the surface of the first contact layer 32 constituting the first conductivity type layer 37, and an opening 90a is selected in a region to be a current path.
  • the transparent conductive film 26 such as ITO, tin oxide, or zinc oxide is formed so as to cover a part of the first contact layer 32 exposed to the opening 90a and the insulating layer 90 around the opening 90a.
  • the surface of the transparent conductive film 26 is formed with irregularities 26a using a chemical treatment, RIE, or the like.
  • the thickness of the ITO and the depth of the recess are selected so that the first contact layer 32 is not exposed at the bottom of the unevenness 26a.
  • the exposure of the first contact layer 32 is not preferable because a reflective metal layer to be formed later is in direct contact with the first contact layer 32.
  • the thickness of the transparent conductive film 26 is desirably in the range of 100 to 300 nm, and the average depth of the irregularities 26a is desirably in the range of 50 to 200 nm.
  • a barrier metal including at least one of a reflective metal layer 25 made of Ag, an Ag alloy, or the like, Ti, Pt, or Ni on the unevenness 26a formed on the transparent conductive film 26. Layers 24 are formed sequentially.
  • the barrier metal layer 24 is covered with a metal such as an Au film 27.
  • a second bonding metal layer 23 made of a material such as AuIn or Au is formed so as to cover the Au film 27.
  • the Au film 27 and the second bonding metal layer 23 are formed in this order so as to cover the entire surface of the wafer. It may be formed. When formed in this manner, Ag or an Ag alloy is not exposed to the side surface of the light emitting element as shown in FIG.
  • a support substrate 10 made of silicon (Si) is prepared.
  • a barrier metal layer 21 is formed on the support substrate 10, and a first bonding metal layer 22 made of a material such as AuIn is formed on the barrier metal layer 21.
  • the support substrate 10 and the laminate on the side of the substrate 70 formed by a plurality of steps up to the step of FIG. 13F are superposed and heated by the first bonding metal layer 22 and the second bonding metal layer 23. By this, it adhere
  • the substrate 70 is removed.
  • the etching contact layer 59 is provided, so that the second contact layer 56 can be reliably left.
  • the etching stop layer 59 is also removed.
  • the second electrode 60 is formed on the surfaces of the current diffusion layer 54 and the second contact layer 56 as in the step of FIG. 2F. Concavities and convexities 54 a may be provided on a part of the surface of the second conductivity type layer 50, which is a region where the second electrode 60 is not formed.
  • a silicon oxide film 92a is formed on the unevenness 54a. Further, a back electrode 62 is formed on the back surface of the support substrate 10 to complete a semiconductor light emitting device wafer.
  • FIG. 14A is a schematic cross-sectional view of a light emitting device using the semiconductor light emitting element according to the third embodiment.
  • 14B is a schematic cross-sectional view in which a region B in FIG. 14A is partially enlarged.
  • FIG. 14C is a graph of the luminance fluctuation rate after the moisture absorption reflow acceleration test of the light emitting device.
  • the semiconductor light emitting device 84 includes a mounting member 80.
  • the mounting member 80 includes a molded body 80a made of an insulating material such as resin, lead terminals 80b, and a pedestal 80c.
  • a lead terminal 80b and a pedestal 80c are provided on the molded body 80a.
  • the semiconductor light emitting element 84 is bonded onto the pedestal 80 c using a conductive adhesive 86.
  • the semiconductor light emitting device 84 is sealed with a sealing layer 88 made of a resin such as epoxy or silicone.
  • a silicon oxide film 92a having a thickness TP (shown in FIG. 11B) is formed on the non-formation region of the second electrode 60 in the surface of the second conductivity type layer 50 of the semiconductor light emitting device 84. ) Is provided.
  • Shrinkage stress S acts between the second conductivity type layer 50 and the sealing layer 88 may be peeled off. When such peeling occurs, the luminance fluctuation rate increases.
  • FIG. 14C is a graph showing the dependence of the luminance variation rate (%) on the thickness TP (nm) of the silicon oxide film.
  • the thickness TP of the silicon oxide film 92a was 25 to 400 nm, the luminance fluctuation rate after the moisture absorption reflow acceleration test at 260 ° C. could be suppressed to 5% or less.
  • the luminance fluctuation rate was as large as about 12%.
  • the surface of the second conductivity type layer 50 with a silicon oxide film 92a having a thickness in the range of 25 to 400 nm.
  • the silicon oxide film 92 a can improve the mutual adhesion by forming a hydrogen bond with the sealing layer 88.
  • FIG. 15 shows the first contact layer 32 of the semiconductor light emitting device according to the third embodiment. It is a graph which shows the dependence of the light beam with respect to the thickness of.
  • the light flux when the silicon oxide film 92a is provided on the surface of the semiconductor light emitting device of the first embodiment is indicated by ⁇ .
  • the light flux of the third embodiment (with a silicon oxide film) is indicated by a triangle.
  • the silicon oxide film 92 is provided on the concavo-convex surface 54a of the surface of the second conductivity type layer 50, so that the luminous flux is reduced by about 5%.
  • the reflective metal layer 25 has an uneven surface, the obtained light flux is increased by about 10% compared to the first embodiment in which no silicon oxide film is provided.
  • the silicon oxide film 92a is provided on the light extraction surface, it is easy to achieve high luminance while maintaining reliability.
  • the semiconductor light-emitting elements according to the first to third embodiments and the modifications associated therewith can easily increase the light extraction efficiency and the luminance, and can be widely used in lighting devices, display devices, traffic lights, and the like.

Abstract

一つの実施形態に係る半導体発光素子は、発光層、反射金属層を有する第１電極、絶縁層、第１及び第２導電型層、および第２電極を備えている。前記絶縁層は、前記第１電極の上に設けられ、前記第１電極の一部が設けられる開口部を有する。前記第１導電型層は、前記絶縁層および前記第１電極の前記一部と前記発光層の間に設けられ、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。前記第１導電型層は、少なくとも第１コンタクト層、組成傾斜層およびクラッド層を含む。前記第２導電型層は、前記発光層上に設けられる。前記第２導電型層は、少なくとも電流拡散層および第２コンタクト層を有する。前記第２コンタクト層は前記絶縁膜の前記開口部と重ならず、前記電流拡散層の厚さは前記第１コンタクト層の厚さよりも大きい。前記第２電極は、パッド部と、前記第２コンタクト層の上を延在する細くい部分を有する。

Description

半導体発光素子 関連出願の引用
　本出願は、２０１１年５月１８日に出願した日本国特許出願第２０１１－１１１８０８号、および２０１１年７月２７日に出願した日本国特許出願第２０１１－１６４７８５号による優先権の利益に基礎をおき、かつ、その利益を求めており、その内容全体が引用によりここに包含される。
　ここで説明する実施形態は、全般的に、半導体発光素子に関する。
　照明装置、表示装置、信号機などに用いられる、発光ダイオード（ＬＥＤ)のような半導体発光素子は、高出力化が要求される。
　半導体発光素子の発光層の後方側に、反射金属層を設けて、発光層から後方側に向かった放出光を前方側に向けて反射することにより光取り出し効率を高めることができる。
　しかしながら、発光層と反射金属層との距離が長くなると、反射金属層による反射光が横方向に広がり、前方側から取り出す光束の光量が低下するという問題が生じる。
特開２０１１－２９２１３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。
　一つの実施形態にかかる半導体発光素子は、発光層、反射金属層を有する第１電極、絶縁層、第１導電型層、第２導電型層および第２電極を備えている。
　前記発光層は、III-Ｖ族の化合物半導体からなる。前記絶縁層は、前記第１電極の上に設けられ、前記第１電極の一部が設けられる開口部を有する。前記第１導電型層は、前記絶縁層および前記第１電極の前記一部と前記発光層の間に設けられ、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII-Ｖ族の化合物半導体からなる。前記第１導電型層は、少なくとも第１コンタクト層、組成傾斜層および第１クラッド層を含む。前記第２導電型層は、前記発光層上に設けられる。前記第２導電型層は、前記発光層の側から順に形成される少なくとも電流拡散層および第２コンタクト層を有する。前記第２コンタクト層は前記絶縁膜の前記開口部と重ならず、前記電流拡散層の厚さは前記第１コンタクト層の厚さよりも大きい。前記第２電極は、パッド部と細い部分を有する。前記パッド部は、前記電流拡散層の表面における前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられる。前記細い部分は、前記パッド部から前記第２コンタクト層の上を延在する。
第１の実施形態にかかる半導体発光素子の模式的な平面図である。 図１ＡのＡ－Ａ線に沿った模式的な断面図である。 図１Ｂの領域ＥＮを拡大した模式的な断面図である。 第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第１の実施形態にかかる半導体発光素子のバンドギャップエネルギー及び屈折率を示すグラフ図である。 第１の実施形態にかかる半導体発光素子の作用を示す模式図である。 第１の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。 比較例にかかる半導体発光素子の模式的な平面図である。 図６ＡのＢ－Ｂ線に沿った模式的な断面図である。 比較例のバンドギャップエネルギーおよび屈折率の分布を示すグラフ図である。 エスケープコーンの模式図である。 比較例の作用を説明する模式図である。 第１の実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の模式的な断面図である。 図９Ａの部分ＥＮを部分拡大した模式的な断面図である。 図９Ａの半導体発光素子のバンドギャップエネルギーおよび屈折率を示すグラフ図である。 第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式的な平面図である。 図１０ＡのＡ－Ａ線に沿った模式的な断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式的な平面図である。 図１１ＡのＡ－Ａ線に沿った模式的な断面図である。 ランバート反射構造を説明する模式図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程を示す断面図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子を用いた発光装置の模式的な断面図である。 図１４Ａの領域Ｂを部分的に拡大した模式的な断面図である。 前記発光装置の半導体発光素子の輝度変動率を示すグラフ図である。 第３の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性を示すグラフ図である。
実施形態
　以下、図面を参照しつつ、本発明の複数の実施形態について説明する。図面において、同一の符号は、同一さらには類似部分を示している。
　図１Ａは第１の実施形態にかかる半導体発光素子を模式的に示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ａ線に沿った模式的な断面図である。図１Ｃは、図１Ｂの領域ＥＮを拡大した模式的な断面図である。
　図１Ｂに示すように、前記第１の実施形態にかかる半導体発光素子は、支持基板１０と、支持基板１０の上に設けられた第１電極２０と、第１電極２０の上に設けられた第１導電型層３７とを備える。前記半導体発光素子は、さらに、第１導電型層３７の上に設けられた発光層４０と、発光層４０の上に設けられた第２導電型層５０と、第２導電型層５０の上に設けられた第２電極６０と、を備える。
　発光層４０は、単層さらには多層のIII-Ｖ族化合物半導体から形成され、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。発光層４０の組成は、Ｉｎｘ（Ｇａ１－ｙＡｌｙ）１－ｘＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とすることができる。この場合、III族元素はインジュウーム（Ｉｎ）、ガリュウーム（Ｇａ）およびアルミニューム（Ａｌ）であり、Ｖ族元素はリン（Ｐ）である。このような発光層は、緑から赤色の波長範囲の光を放出することができる。発光層４０の組成は、ＡｌｚＧａ１－ｚＡｓ（但し、０≦ｚ≦０．４５）とすることもできる。この場合、III族元素はＡｌおよびＧａであり、Ｖ族元素はＡｓである。このような発光層は、赤色から近赤外光の波長範囲の光を放出することができる。さらに、発光層４０の組成は、ＩｎｓＧａ１－ｓＡｓｔＰ１－ｔ（但し、０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）とすることもできる。この場合、III族元素はＩｎおよびＧａであり、Ｖ族元素は、ＡｓおよびＰである。このような発光層は、近赤外光の波長範囲の光を放出することができる。加えて、発光層４０の組成は、ＩｎｕＧａｖＡｌ１－ｕ－ｖＮ（但し、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）と表示することができる。この場合、III族元素は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌであり、Ｖ族元素は窒素（Ｎ）である。このような発光層は、紫外から緑色の波長範囲の光を放出できる。
　第１導電型層３７は、第１コンタクト層３２、組成傾斜層３１、第１クラッド層２９、および光ガイド層２９、を含む。第１導電型層３７のバンドギャップエネルギーは、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも大きい。このようにすると、放出光は第１導電型層３７による吸収が抑制され、高い光出力とすることができる。第１導電型層３７は、第１導電型のＩｎｓ（Ｇａ１－ｔＡｌｔ）１－ｓＰ（但し、０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）からなるものとすることができる。
　第１コンタクト層３２は、ＭＱＷ構造の発光層４０の平均屈折率よりも低い屈折率を有するIII-Ｖ族化合物半導体から形成される。ＭＱＷ構造の発光層４０の平均屈折率とは、放出光の波長におけるバルク半導体の屈折率を意味し、井戸層の屈折率と、障壁層の屈折率と　の平均値と定義される。図１Ｃに表す図１Ｂの領域ＥＮの断面のように、第１コンタクト層３２は、たとえばＧａＰからなり第１導電型を有する。第１コンタクト層３２の一部は、絶縁層９０に設けられた複数の矩形の開口９０ａを介して、第１電極２０の透明導電膜２６の一部と接する。組成傾斜層３１は、III-Ｖ族化合物半導体からなり、たとえば、第１導電型のＩｎｘ（Ｇａ１－ｙＡｌｙ）１－ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）により形成されてもよい。この組成傾斜層は、第１コンタクト層３２に向かってＩｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙが低下する。すなわち、Ｇａ組成比が高まり組成がＧａＰに近づく。
　図１Ｂの上方から下方をみて、複数の第２コンタクト層５６は、第１コンタクト層３２と透明導電膜２６とのコンタクト面とは重ならないように設けられる。電流は、図１Ａおよび図１Ｂに示す、絶縁層９０の複数の開口部９０ａを介して、第１電極２０と第２電極６０との間を流れる。第２電極６０の複数の細線部６０ｂ（細い部分）と、絶縁層９０の開口部９０ａの端部と、の最短距離は、図１Ｂを上方からみて、例えば５μｍとすることができる。図１Ａに示すように、複数の細線部６０ｂは、それぞれ、前記複数の第２コンタクト層５６上に形成される。これらの細線部６０ｂは、前記複数の第２コンタクト層５６と、電流拡散層５４の一部で凹凸が形成されていない表面と、に接しており、パッド部６０ａと前記第２コンタクト層５６とを接続し、かつ、前記第２コンタクト層５６上に延在するように設けられる。
　第１の実施形態では、第２電極６０を構成する複数の細線部６０ｂから注入されたキャリアは、電流拡散層５４により横方向に広げられつつ発光層４０へと流れ込むようなキャリアフローＦ２を生じる。他方、第１電極２０から注入されたキャリアは、横方向への広がりが抑制され発光層４０へ流れ込むようなキャリアフローＦ１を生じる。したがって、第１電極２０と、発光層４０と、の間に、不純物濃度が高い電流拡散層を設けなくともよい。
　さらに、図１Ｂを上方からみて、第１コンタクト層３２は、図１Ａに示すように細線部６０ｂの延在する方向に分散して設けられた複数領域により構成してもよい。このように構成すると、細線部６０ｂの延在する方向に沿った第１コンタクト層３２内に でキャリアの広がりを低減できる。このため、電流注入効率を実効的にさらに高めることができる。発光層４０内において、発光再結合はキャリア密度の略２乗に比例して増加し、非発光再結合はキャリア密度に略比例して増加する。このため、全体としては、電流のキャリア密度が高いほど正味の発光再結合の割合が増加し、高い発光効率とすることが容易となる。
　図１Ａに示すように、絶縁層９０の複数の開口部９０ａは矩形であるが、開口部９０ａの平面形状はこれに限定されず、円形、楕円形、多角形のような形状であってもよい。
　図２Ａから図２Ｅは、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例の工程の断面図である。図２Ａは、ウェーハ状態の半導体発光素子の半導体層を模式的に示す図を示す。図２Ｂは絶縁層をパターニングして得られたウェーハを模式的に示す図である。図２Ｃは透明導電膜を形成して得られたウェーハを模式的に示す図である。図２Ｄは前記ウェーハの接着工程を模式的に示す図である。図２Ｅは、前記ウェーハを分割して得られたチップ状態の半導体発光素子を模式的に示す図である。
　　図２Ａにおいて、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなり、結晶成長を行うための基板７０の上に、図１Ａに示したように、次の構成を有する第２導電型層５０、発光層４０、次の構成を有する第１導電型層３７が、この順序に積層される。具体的には、第２導電型層５０として、図２Ａに示す、ｎ形ＧａＡｓの第２コンタクト層５６（キャリア濃度：１×１０１８ｃｍ－３）、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐの電流拡散層５４（キャリア濃度：４×１０１７ｃｍ－３）、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第２クラッド層５２（キャリア濃度：３×１０１７ｃｍ－３）、および、ｎ形ＩｎＧａＡｌＰの光ガイド層５１が、結晶成長により順次形成される。結晶成長には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法を用いることができる。

　　光ガイド層５１上に複数の井戸層および複数の障壁層薄膜積層体からなる発光層４０が形成される。発光層４０として、本実施では、例えば、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐからなり４ｎｍの厚さの井戸層を２０個と、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐからなり７ｎｍの厚さの障壁層を２１個からなるＭＱＷ構造の薄膜積層体としている。ただし、発光層４０の構造はこれに限定されない。
　その後、第１導電型層３７として、発光層４０上に、ｐ形ＩｎＧａＡｌＰの光ガイド層２８、ｐ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐの第１クラッド層２９（キャリア濃度：３×１０１７ｃｍ－３）、ｐ形Ｉｎｘ（Ｇａ１－ｙＡｌｙ）１－ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる組成傾斜層（キャリア濃度：１×１０１９ｃｍ－３）３１、および、ｐ形ＧａＰからなる第１コンタクト層（キャリア濃度：１×１０１９ｃｍ－３）３２が、順次形成される。光ガイド層２８は、設けなくてもよい場合がある。
　Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐのような材料からなる第１クラッド層２９、あるいはＩｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐのような材料の最下層の表面において、発光波長よりも短いバンドギャップ波長λｇを有し、発光層４０の平均屈折率と同じか、またはそれより低い屈折率を有するＧａＰ層を、結晶成長により設ける場合、格子不整合が大きいので結晶欠陥を生じやすい。しかしながら、層２９あるいは最下層の表面とＧａＰとの間に、III族元素の組成比を積層方向に変化させ、層２９あるいは最下層の組成から第１コンタクト層の組成まで変化する組成傾斜層３１を設けると、結晶欠陥を低減できる。言い換えれば、ｐ形Ｉｎｘ（Ｇａ１－ｙＡｌｙ）１－ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなり、Ｉｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙがＧａＰ層に向かって低下する組成傾斜層３１を設けると結晶欠陥を低減できる。組成傾斜層３１は、Ｇａ組成比が徐々に高まり組成がＧａＰに徐々に近づく。混晶元素の組成比を連続的に変化させるには、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。例えば、前記Ｉｎの組成比ｘおよび前記Ａｌの組成比ｙは、直線状、２次関数状、階段状のように変化させることは容易にできる。原料ガスの供給を自動制御することにより、第１コンタクト層３２に向かって、Ｉｎの組成比ｘやＡｌの組成比ｙを精度良く低下させることができる。
　発明者らの実験によれば、組成傾斜層３１の厚さＴＧ（図１に示す）を０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下、より望ましくは０．０１μｍ以上、０．０５μｍ以下とすることにより、第１コンタクト層３２の結晶性が改善される。さらに、第１コンタクト層３２の厚さを０．０２μｍ以上、１μｍ以下とすると、第１コンタクト層３２と透明導電膜２６とのコンタクト抵抗を低く保てることが判明した。格子を整合させるために厚いコンタクト層を設ける必要がない。
　その後、図２Ｂのように、第１コンタクト層３２上に絶縁層９０が形成され、さらに絶縁層９０に開口部９０ａが形成される。続いて、図２Ｃのように、開口部９０ａにより露出した第１コンタクト層３２の一部および絶縁層９０の上に、錫ドープ酸化インジューム（ＩＴＯ：Indium　Tin Oxide)、酸化錫、酸化亜鉛のような材料からなる透明導電膜２６を形成する。
　図２Ｄに示すように、透明導電膜２６上に、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、Ａｇにインジュウーム（Ｉｎ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）などを添加したＡｇ合金、などのうちの少なくともいずれかを含む反射金属層２５、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）のような材料のうちの少なくともいずれかを含むバリア金属層２４、ＡｕさらにはＡｕＩｎなどを含む第２接合金属層２３、をこの順序で形成する。他方、導電性Ｓｉのような材料からなる支持基板１０を用意し、この支持基板１０に、ＡｕＩｎのような第１接合金属層２２を形成する。
　続いて、基板７０の上方に形成された半導体層の側の第２接合金属層２３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、加熱しかつ加圧することにより、ウェーハ接着を行う。シリコン（Ｓｉ）基板の線膨張係数は４×１０－６／℃であり、ＧａＡｓ基板の線膨張係数６×１０－６／℃と近い。このため、ウェーハ接着プロセスにおける応力が低減される。さらに、金属間の接合温度は、半導体材料間の接合温度よりも低くできるので、ウェーハの割れや欠けがさらに抑制できる。さらに、Ｓｉ基板を用いると、ダイシング等によるウェーハからの複数のチップへの分割プロセスが容易となる。
　続いて、基板７０を除去し、後に形成する第２電極６０の複数の細線部６０ｂに対応する領域にのみ第２コンタクト層５６を残す。図２Ｅに示すように、パターニングされた第２コンタクト層５６上に複数の細線部６０ｂが延在する。これらの細線部６０ｂを接続するパッド部６０ａが、第２コンタクト層５６の非形成領域において電流拡散層５４上に形成される。パッド部６０ａと細線部６０ｂとを含む第２電極６０は、電流拡散層５４の側から、ＡｕＧｅ／Ｔｉ／（Ｎｉ）／Ｐｔ／Ａｕを積層した構造とすることができる。
　さらに、第２電極６０が形成されていない、電流拡散層５４を構成する半導体層の表面の部分には、ＲＩＥ（Reactive　Ion　Etching)法やウェットエッチング法を用いて微小な凹凸５４ａを設ける。表面が平坦な電流拡散層５４と、空気層さらには封止樹脂層（屈折率：約１．５）と、の界面では全反射が生じる。このため、後方からの反射を考慮しない場合、光取り出し効率が十数％以下となる。さらに、反射金属層２５による裏面後方からの反射を考慮しても、光取り出し効率が二十数％以下である。しかし、電流拡散層５４の表面に微小な凹凸５４ａを設けると、光取り出し効率を高めることができる。図２Ｅに示すように、支持基板１０の裏面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる裏面側電極６２を形成する。
　透明導電膜２６を間に介さずに、反射金属層２５として例えばＡｕ層と第１コンタクト層３２とを接触させることもできる。しかし、この場合、第２電極６０のシンター工程において、第１コンタクト層３２を構成する例えばＧａＰと、反射金属層２５を構成する例えばＡｕと　の界面に合金層が形成され、放出光の一部を前記合金層が吸収することがある。この結果、輝度低下を生じる。
　これに対して、第１コンタクト層３２に、１×１０１９ｃｍ－３の炭素（Ｃ）をドープすると、第１コンタクト層３２と透明導電膜２６との間で、１から２×１０－４Ω・ｃｍ２と低いコンタクト抵抗を得ることができる。この場合、例えば酸化インジューム・スズ（ＩＴＯ）からなる透明導電膜２６と、第１コンタクト層３２を構成する例えばＧａＰとは合金層を形成しにくいので、合金層による放出光の吸収が少ない。
　反射金属層２５として、Ａｇを用いることもできる。発光波長が０．６μｍ以下の場合、Ａｕの光反射率はＡｇの光反射率よりも低下が大きいので、Ａｇを用いる方が高輝度とすることができる。さらに、Ａｇ合金を用いると、耐湿性を含む耐環境性を高めることができる。図１Ｂに示すように、反射金属層２５のパターニングを行い、半導体発光素子の側面に反射金属層２５を構成するＡｇやＡｇ合金が露出しない構造とすると、ガスや水分の侵入が抑制され、硫化による反射率の低下が低減できる。
　図３は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子のバンドギャップエネルギー及び屈折率を示すグラフ図である。
　実線は屈折率分布、破線はバンドギャップエネルギー（ｅＶ）分布、を示す。電流拡散層５４を、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ（波長０．６μｍで屈折率が約３．２）により構成する。第２クラッド層５２を、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐ（発光波長０．６μｍにおいて屈折率が約３．１）により構成する。
　例えばＧａＰからなる第１コンタクト層３２のバンドギャップエネルギーは、約２．２６ｅＶであり、発光層４０のバンドギャップエネルギーよりも高く、約０．５５μｍ以上の波長範囲の光を吸収せずに透過する。ＧａＰからなる第１コンタクト層３２の屈折率は、０．６μｍの発光波長について約３．４である。例えばＩｎｘ（Ｇａ１－ｙＡｌｙ）１－ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる組成傾斜層３１の屈折率は組成変化とともに変化し、ＧａＰの屈折率に近づく。
　図４は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の作用を模式的に示す図である。
　発光層４０からの光は、図中において、上方（前方）、側方、および下方（後方）へ向かって放出される。下方に向かう光のうち、入射角が臨界角より大きい光は、屈折率が高い側から低い側に変化する界面で全反射され、上方さらには側方へ向かう。他方、入射角が臨界角よりも小さい光は、光ガイド層２８、第１クラッド層２９、第１コンタクト層３２、透明導電膜２６を通り、反射金属層２５により上方および側方に向かって反射される。
　本実施形態では、組成傾斜層３１の厚さＴＧおよび第１コンタクト層３２の厚さＴＣを薄くできるので、図４における光の横方向への広がりＤＬが低減できる。第１コンタクト層３２の厚さＴＣを、電流拡散層５４の厚さＴＳよりも小さくすると、複数の細線部６０ｂからのキャリアは、電流拡散層５４内で横方向かつ外側に広がりつつ発光層４０へ注入される。他方、第１電極２０からのキャリアは、発光層４０までの距離が短いために、横方向への広がりが抑制されつつ発光層４０へ注入される。このようにして、上方へ向かう光Ｇ１を増加させ、光取り出し効率および輝度を高めることができる。
　透明導電膜２６をＩＴＯ膜とすると、屈折率ＮＩＴＰは０．６μｍの発光波長で約１．７である。透明導電膜２６から、第１コンタクト層３２（屈折率ＮＣＯ：３．４）を介して、第１クラッド層２９（屈折率ＮＣＬ：３．１）までの領域では、屈折率が上方に向かって階段状に高くなるので、全反射が抑制される。
　組成傾斜層３１を薄くすると、組成傾斜層３１を通過する光は波動性を強める。このため、光路は、スネルの法則だけにより決まらなくなる。具体的には、その媒質内の光波長λｇ（＝放出光波長／媒質の屈折率）よりも厚さが小さい層では、臨界角よりも大きな角度で界面へ入射した光であっても全反射が低減され、透過率が大きくなる。例えば、放出光の波長を０．６μｍとし、ＧａＰの屈折率を３．４とすると、媒質内の波長λｇは、０．２μｍとなる。組成傾斜層３１の厚さＴＧである０．０１から０．０５μｍは、その媒質内波長λｇの０．０５から０．２５の長さに対応する。したがって、反射光は、組成傾斜層３１を透過することが容易となる。
　図５は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層の厚さに対する光束の依存性の実験結果を示すグラフである。
　縦軸は５０ｍＡの駆動電流により生じる光束（ｌｍ：ルーメン）、横軸は第１コンタクト層の厚さＴＣ（μｍ）を示す。前記光束を出力する半導体発光素子は、図３に示す特性を示すＩｎＧａＡｌＰ系材料から素子である。組成傾斜層３１の厚さＴＧは、０．０１から０．１μｍの範囲である。さらに、電流拡散層５４の厚さは、２．５μｍである。
　第１コンタクト層３２の厚さＴＣが０．０２μｍの場合、出力される光束は９ルーメン（ｌｍ）であった。０．０２μｍよりも薄い第１コンタクト層３２では、その厚さＴＣが薄くなるに従い光束が低下し、厚さＴＣが、例えば０．０１μｍでは、光束は７ルーメン（ｌｍ）であった。厚さＴＣが薄くなるに従い順方向電圧が指数関数的に増加するので、厚さＴＣは０．０２μｍ以上であることが望ましい。さらに、第１コンタクト層３２の厚さＴＣが０．０５μｍの場合、５０ｍＡの駆動電流における光束は約９．６ルーメン（ｌｍ）となり最大値を示した。厚さＴＣが電流拡散層５４の厚さＴＳと同じ２．５μｍの場合、光束は５ルーメン（ｌｍ）に低下し、それよりも厚いとさらに急激に低下した。すなわち、第１コンタクト層３２の厚さＴＣを、０．０２μｍ以上１．０μｍ以下とすると、発光層４０と、反射金属層２５と、の間の側方への光の広がりＤＬが低減され、上方で取り出し可能な光束を増加させ、高輝度にすることができることが判明した。 
　図６Ａは、比較例にかかる半導体発光素子を模式的に示す平面図である。図６Ｂは、図６ＡのＢ－Ｂ線に沿った模式的な断面図である。
　半導体層１５８を構成する発光層１４０は、例えば、Ｉｎ０．５（Ｇａ１－ｘＡｌｘ）０．５（０≦ｘ≦１）Ｐからなる複数の井戸層と、Ｉｎ０．５（Ｇａ１－ｙＡｌｙ）０．５Ｐ（ｘ＜ｙ、０≦ｙ≦１）からなる複数の障壁層と、を交互に積層したＭＱＷ構造とすることができる。
　光ガイド層１３９は、ｐ形ＩｎＧａＡｌＰにより構成されている。第１クラッド層１３８は、ｐ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐにより構成されている。第１電流拡散層１３４は、厚さが０．５μｍのｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ層１３４ａと、厚さが１．５μｍのｐ形ＧａＰ層１３４ｂ　を含む。さらに、第１コンタクト層１３２は、厚さが０．１μｍのｐ形ＧａＰ層により構成される。この場合、第１電流拡散層１３４を構成する層１３４ａ、１３４ｂ、および、第１コンタクト層１３２の厚さの和ＴＣＣを、２．１μｍと大きくする。このように設定すると、電流を、発光層１４０の面内に広げるとともに、透明導電膜（ＩＴＯ膜）１２６とのコンタクト抵抗を低減することができる。
　第２コンタクト層１５６は、ｎ形ＧａＡｓにより構成される。第２電流拡散層１５４は、ｎ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐとする。第２クラッド層１５２は、ｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐとする。光ガイド層１５１は、ｎ形ＩｎＧａＡｌＰとする。第２電流拡散層１５４と、第２クラッド層１５２と、光ガイド層１５１と、のそれぞれの厚さの和は、３．２μｍとする。
　第２電流拡散層１５４、パターン化された第２コンタクト層１５６上には、それぞれ第２電極１６０を構成する、パッド部１６０ａおよび複数の細線部６０ｂが形成されている。
　比較例では、前記半導体層１５８と、前記第１電極１２０、との間に、絶縁層１９０からなる電流ブロック層が設けられている。開口部１９０ａに露出した第１コンタクト層１３２および絶縁層１９０を覆うように、それぞれ第１電極１２０を構成する前記透明導電膜１２６、反射金属層１２５、バリア金属層１２４、第１及び第２接合金属層１２２、１２３が設けられ、さらに支持基板１１０および裏面側電極１６２が設けられる。
　さらに、
　図７は、比較例にかかる半導体発光素子のバンドギャップエネルギーおよび屈折率を示すグラフ図である。
　実線は屈折率分布、破線はバンドギャップエネルギー（ｅＶ）分布、を示す。発光層１４０のバンドギャップエネルギーは、ＧａＰのバンドギャップエネルギーである約２．２６ｅＶよりも低い。さらに、ＧａＰの屈折率は、０．６μｍの波長において約３．４である。　
　図８Ａはエスケープコーンを模式的に示す図である。図８Ｂは比較例の作用を説明するための模式的な図である。
　図８Ｂにおいて、界面Ｓの上方（前方）の屈折率がｎ１、界面Ｓの下方（後方）の屈折率がｎ２（ｎ１＞ｎ２）であるとする。上方からの入射光Ｌｉｎの入射角Φが臨界角Θｃよりも大きいと、界面Ｓで全反射を生じ、反射光Ｌｏは上方に出射できない。他方、入射光Ｌｉｎの入射角Φが臨界角Θｃよりも小さいと光は界面Ｓの下方に透過する。言い換えれば、界面Ｓと直交する軸に対して臨界角Θｃをなす円錐の内部へ入射した光は透過できる。
　図８Ｂにおいて、下方に向かう光Ｇ１０は、反射金属層１２５により反射され前記上方の光取り出し面から出射する。光Ｇ１０よりも大きな入射角の光Ｇ１１は、第１電流拡散層１３４及び第１コンタクト層１３２の合計の厚さＴＣＣが、例えば２．１μｍと大きいので、側方への広がりＤＬＬが大きくなる。このため、例えば、外方へ向かう光は素子側面から出射しやすくなり上方での光取り出し効率が低下する。他方、内方に向かう光はパッド部に遮光され、上方での光取り出し効率が低下する。
　さらに、反射金属層１２５による反射光Ｇ１３は、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ層１３４ａとｐ形ＧａＰ層１３４ｂの界面への入射角が、臨界角である７０度よりも大きいと全反射を生じ、光Ｇ１３は再び下方に向かうので、上方での光取り出し効率が低下する。
　第１電流拡散層１３４を厚くすると、第１電極１２０から注入されたキャリアが内側に向かって広がる。この結果、細線部１６０ｂから注入され外側に向かって広がったキャリアとともに、発光領域ＥＥＲを広げ過ぎ、電流注入密度が実効的に低下するので、光取り出し効率が十分には高まらない。
　これに対して、第１の実施形態では、組成傾斜層３１の厚さＴＧおよび第１コンタクト層３２の厚さＴＣを小さくし、発光層４０から反射金属層２５へ向かう光、およびその反射光が側方に広がることを抑制できる。その結果、上方での光取り出し効率がさらに高められる。
　図９Ａは、第一実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の模式的な断面図である。図９Ｂは、図９Ａの部分ＥＮを部分拡大した模式的な断面図である。図９Ｃは、図９Ａに示した半導体発光素子のバンドギャップエネルギーおよび屈折率を示すグラフである。 
　図９Ａおよび図９Ｂにおいて、第１導電型層３７は、第一実施形態において示された構成にさらに、電流拡散層３０を加えている。具体的には、組成傾斜層３１と第１クラッド層２９の間に、電流拡散層３０として、例えば、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐからなる層を設けている。この場合、発光層４０と反射金属層２５との間で光の横方向への広がりを抑制するように、電流拡散層３０の厚さは、第１コンタクト層３２の厚さＴＣよりも小さいことが望ましい。組成傾斜層３１の組成は、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐから、ＧａＰへ近づくように変化させればよい。
　図１０Ａは、第２の実施形態にかかる半導体発光素子の模式的な平面図である。図１０Ｂは、図１０ＡのＡ－Ａ線に沿った模式的な断面図である。
　第２の実施形態の半導体発光素子は、窒化物系材料から構成される。この半導体発光素子は、支持基板１０と、支持基板１０の上に設けられた第１電極２０と、第１電極２０の上に設けられた第１導電型層３７と、第１導電型層３７の上に設けられた発光層９４と、発光層４０の上に設けられた第２導電型層５０と、第２導電型層５０の上に設けられた第２電極６０と、を備えている。
　第１導電型層３７においては、第１電極２０の側から、ｐ形ＧａＮからなる第１コンタクト層９１、ｐ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第１クラッド層９２、およびｐ形の第１組成傾斜層９３、をこの順序で形成されている。さらに、第２導電型層５０においては、発光層９４の側から、ｎ形第２組成傾斜層９５、ｎ形の第２組成傾斜層９５、ｎ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２クラッド層９６、ｎ形Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる電流拡散層９７、およびｎ形ＧａＮからなる第２コンタクト層９８が　この順序で形成されている。
　発光層９４は、ＭＱＷ構造であり、ＩｎｕＧａｖＡｌ１－ｕ－ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）により構成されている。例えば、前記ＭＱＷ構造において、井戸層はＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ、障壁層はＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎとすることができる。
　第１および第２組成傾斜層９３、９５は、発光層９４の側からそれぞれクラッド層９２、９６に向かって、組成がＩｎ０．１Ｇａ０．９ＮからＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎへと徐々に変化することが望ましい。発明者らの実験によれば、第１組成傾斜層９３の厚さＴＧを０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下とすると、ＧａＮに対して、格子整合を容易にでき、順方向電圧を低減できることが判明した。さらに、第１コンタクト層９１の厚さＴＣを電流拡散層９７の厚さＴＳよりも小さくすると、第１電極２０による反射光が横方向へ広がることが抑制できる。さらに、第１コンタクト層９１の厚さＴＣを、０．０２μｍ以上、１．０μｍ以上とすることが望ましい。
　図１１Ａは、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の模式的な平面図である。図１１Ｂは、図１１ＡのＡ－Ａ線に沿った模式的な断面図である。
　この実施形態の半導体発光素子８４は、支持基板１０と、支持基板１０の上に設けられた第１電極２０ａと、第１電極２０ａの上に設けられた第１導電型層３７と、第１導電型層３７の上に設けられた発光層４０と、発光層４０の上に設けられた第２導電型層５０と、第２導電型層５０の上に設けられた第２電極６０と、を備えている。第１導電型層３７、発光層４０、および第２導電型層５０は、図９Ａから図９Ｃに示した第１の実施形態の変形例と同様なものである。第１電極２０ａにおいては、支持基板１０の側から、第１接合電極２２、第２接合電極２３、Ａｕ膜２７、バリア金属層２４、反射金属層２５、および透明導電膜２６が、この順序に形成されている。
　第３の実施形態では、反射金属層２５が、ランバート反射構造を有している。具体的には、反射金属層２５の表面には、微小な凹凸が設けられている。この微小な凹凸は、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における波長程度か、さらに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。
　図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて、第１コンタクト層３２の表面に開口部９０ａを有する絶縁層９０が設けられている。発光層４０ｈａ，ＩｎＡｌＧａＰ系材料から
構成され、その発光波長は６００ｎｍである。前記微小な凹凸の平均深さは、例えば５０から２００ｎｍである。反射金属層２５は、ＡｇさらにはＡｇ合金のような材料から構成される。反射金属層２５の平均ピッチは、例えば３５０から１２００ｎｍである。発明者らの実験によれば、このような構造の半導体発光素子の輝度は、ランバート反射構造が設けられない発光素子の輝度よりも１５％以上高いことが判明した。
　図１２は、ランバート反射構造を説明する模式的な図である。
　この場合、第１コンタクト層３２はＧａＰ層から構成され、透明導電膜２６はＩＴＯ層から構成される。ＧａＰ層（屈折率：約３．４）からＩＴＯ層（屈折率：約１．７）へ入射する場合の臨界角である３０度よりも小さい入射角を有する光は、ＩＴＯ層に入射したのち、光ｇ１、ｇ２、ｇ３として示すように、反射金属層２５により反射されたのち、拡散する。発光層４０が６００ｎｍの波長の光を放出し、凹凸の平均ピッチが７００ｎｍ、かつ平均深さが２０ｎｍである場合、照射された直線光が拡散光に変換される割合は、例えば４０％となる。変換率は、凹凸の平均深さが大きくなるのに応じて増加する。このため、輝度を高めることができる。
　図１３Ａから図１３Ｊは、それぞれ、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法の一例における工程を示す断面図である。図１３Ａから図１３Ｆは、結晶成長が行われる基板上に第２接合電極を形成するまでの工程を示す。図１３Ｇから図１３Ｊは、ウェーハの接着プロセス以降を示す。
　図１３Ａのように、例えばＧａＡｓからなる基板７０の上に、第２導電型層５０、発光層４０、および第１導電型層３７がＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。具体的には、基板７０の上に、エッチングストッパー層５９、およびｎ形ＧａＡｓの第２コンタクト層５６（キャリア濃度：１×１０１８ｃｍ－３）を形成する。第２コンタクト層５６上には、図２Ａの工程と同様に、電流拡散層５４、第２クラッド層５２、および、光ガイド層５１が、順次形成される。さらに、光ガイド層５１には、図２Ａの工程と同様に、発光層４０が、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法などを用いて順次、結晶成長される。発光層４０上には、図２Ａの工程と同様に、光ガイド層２８、第１クラッド層２９が形成される。第１クラッド層２９上には、ｐ形Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐからなる電流拡散層３０が形成される。電流拡散層３０上には、図２Ａの工程と同様に、組成傾斜層３１、および、第１コンタクト層３２が、順次形成される。光ガイド層２８は、設けなくてもよい場合がある。
　図１３Ｂに示すように、第１導電型層３７を構成する第１コンタクト層３２の表面上に、ＳｉＯ２のような絶縁層９０を形成し、電流経路とすべき領域に開口部９０ａを選択的に設ける。さらに、図１３Ｃのように、開口部９０ａに露出した第１コンタクト層３２の一部および開口部９０ａの周囲の絶縁層９０を覆うようにＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛のような透明導電膜２６を形成する。
　図１３Ｄに示すように、透明導電膜２６の表面を、薬液処理、ＲＩＥ等による処理を用いて、凹凸２６ａを形成する。この場合、凹凸２６ａの底部に第１コンタクト層３２が露出しないように、ＩＴＯの厚さと凹部の深さを選択する。第１コンタクト層３２の露出は、後に形成する反射金属層が、第１コンタクト層３２と、直接接触するので好ましくない。
　他方、透明導電膜２６を厚くしすぎると、透明導電膜２６内で光吸収が増大し輝度が１０％程度低下することがある。このため、透明導電膜２６の厚さは、１００から３００ｎｍの範囲、凹凸２６ａの平均深さは、５０から２００ｎｍの範囲とすることが望ましい。
　続いて、図１３Ｅのように、透明導電膜２６に形成された凹凸２６ａの上に、ＡｇやＡｇ合金などからなる反射金属層２５、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉのうちの少なくともいずれかを含むバリア金属層２４、を順次形成する。
　その後、図１３Ｆのように、バリア金属層２４をＡｕ膜２７のような金属で覆う。さらに、Ａｕ膜２７を覆うように、ＡｕＩｎやＡｕのような材料からなる第２接合金属層２３を形成する。或いは、ダイシングライン領域において、透明導電膜２６、反射金属膜２５、バリア金属層２４の各一部を除去したのち、ウェーハ全面を覆うようにＡｕ膜２７および第２接合金属層２３をこの順序で形成してもよい。このように形成すると、図１１Ｂのように、ＡｇやＡｇ合金が発光素子の側面に露出しないので、Ａｇの硫化やマイグレーションが抑制されるのでより望ましい。
　図１３Ｇのように、シリコン（Ｓｉ）からなる支持基板１０が用意される。支持基板１０上には、バリア金属層２１が形成され、バリア金属層２１上にはＡｕＩｎのような材料からなる第１接合金属層２２が形成される。支持基板１０と、図１３Ｆの工程までの複数の工程により形成された基板７０の側の積層体とは、第１接合金属層２２と第２接合金属層２３とが重ね合わされ、かつ加熱されることにより、ウェーハ状態で接着される。第２接合金属層２３の表面に凹凸２６ａに対応したた凹凸が残されたとしても、第２接合金属層２３は、第１および第２接合金属層２２、２３を構成するＡｕＩｎのような半田材が溶融することにより、第１接合金属層２２との密着性を高く保つことができる。
　その後、図１３Ｈのように、基板７０が除去される。基板７０を薬液処理法により除去する場合、エッチングストップ層５９を設けてあるので、第２コンタクト層５６を確実に残すことができる。基板７０の除去後エッチングストップ層５９も除去される。さらに、図１３Ｉのように、図２Ｆの工程と同様に、電流拡散層５４および第２コンタクト層５６の表面上に第２電極６０が形成される。第２電極６０の非形成領域となる第２導電型層５０の表面の一部に凹凸５４ａが設けられてもよい。
　続いて、図１３Ｊのように、凹凸５４ａの上に、シリコン酸化膜９２ａが形成される。さらに、支持基板１０の裏面に裏面電極６２が形成されて、半導体発光素子のウェーハが完成する。
　図１４Ａは、第３の実施形態にかかる半導体発光素子を用いた発光装置の模式的な断面図である。図１４Ｂは、図１４Ａの領域Ｂを部分拡大した模式的な断面図である。図１４Ｃは、前記発光装置の吸湿リフロー加速試験後の輝度変動率のグラフである。
　本実施形態に係る半導体発光素子８４は、実装部材８０を有する。図１４Ａに示すように、実装部材８０は、樹脂のような絶縁材料の成形体８０ａ、リード端子８０ｂ、台座８０ｃを備えている。成形体８０ａ上に、リード端子８０ｂおよび台座８０ｃが設けられる。半導体発光素子８４は、導電性接着剤８６を用いて、台座８０ｃの上に接着されている。半導体発光素子８４は、エポキシやシリコーン（silicone）のような樹脂からなる封止層８８により封止されている。
　図１４Ｂに示すように、半導体発光素子８４の第２導電型層５０の表面のうち、第２電極６０の非形成領域上には、厚さＴＰを有するシリコン酸化膜９２ａ（図１１Ｂに示した）が設けられている。発明者らの実験によると、半導体発光素子８４の第２導電型層５０の表面に、樹脂からなる封止層８８が直接に接すると、２６０℃における吸湿リフロー加速試験において、封止層８８と第２導電型層５０との間に収縮応力Ｓが作用し、封止層８８の剥離が生じることがあった。このような剥離が発生すると、輝度変動率は大きくなる。
　図１４Ｃは、前記シリコン酸化膜の厚さＴＰ（ｎｍ）に対する輝度変動率（％）の依存性を示すグラフである。シリコン酸化膜９２ａの厚さＴＰを２５から４００ｎｍとすると、２６０℃の吸湿リフロー加速試験後の輝度変動率を、５％以下に抑制できた。他方、シリコン酸化膜９２ａに代えて、１００ｎｍの厚さのＳｉＯＮ膜を使用した場合では、剥離を生じやすく、輝度変動率は約１２％と大きくなった。したがって、使用環境条件が厳しい車載用途などでは、第２導電型層５０の表面を、厚さが２５から４００ｎｍの範囲のシリコン酸化膜９２ａで覆うことが望ましい。シリコン酸化膜９２ａは、封止層８８との間で水素結合を形成することなどにより互いの密着性を高めることができる。
　図１５は、第３の実施形態にかかる半導体発光素子の第１コンタクト層３２
の厚さに対する光束の依存性を示すグラフである。
　比較のため、図５に示した第１の実施形態（シリコン酸化膜無し）の光束依存性を○印で示す。第１の実施形態の半導体発光素子の表面にシリコン酸化膜９２ａを設けた場合の光束を■印で示す。さらに、第３の実施形態（シリコン酸化膜有り）の光束は、▲印で表す。
　図１１Ｂに示すように第２導電型層５０の表面の凹凸面５４ａにシリコン酸化膜９２を設けると、凹凸の急峻性が低減されるので光束が約５％低下する。しかし、反射金属層２５が凹凸面を有しているので、得られる光束は、シリコン酸化膜無しとした第１の実施形態よりも約１０％増加する。光取り出し面にシリコン酸化膜９２ａを設けた第３の実施形態では、信頼性を保ちつつ、高輝度とすることが容易となる。
　第１から第３の実施形態およびこれに付随した変形例にかかる半導体発光素子は、光取り出し効率および輝度を高めることが容易となり、照明装置、表示装置、信号機などに広く用いることができる。
　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、２０ａ　第１電極
２５　反射金属層
２６　透明導電膜
２６ａ　凹凸面
２９　第１クラッド層
３０　電流拡散層
３１、９３　組成傾斜層
３２、９１　第１コンタクト層
３７　第１導電型層
４０、９４　発光層
５０　第２導電型層
５２　第２クラッド層
５４、９７　電流拡散層
５４ａ　凹凸面
５６、９８　第２コンタクト層
６０　第２電極
６０ａ　パッド部
６０ｂ　細線部
９０　絶縁層
９０ａ　開口部
９２ａ　シリコン酸化膜

Claims (17)

  1. 　III-Ｖ族の化合物半導体からなる発光層と、
    　反射金属層を有する第１電極と、
    　前記第１電極の上に設けられ、前記第１電極の一部が設けられる開口部を有する絶縁層と、
    　前記絶縁層および前記第１電極の前記一部と前記発光層の間に設けられ、前記発光層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有するIII-Ｖ族の化合物半導体からなる第１導電型層であって、第１コンタクト層、組成傾斜層および第１クラッド層、を少なくとも含む第１導電型層と、
    　前記発光層上に設けられる第２導電型層であって、前記発光層の側から順に形成される少なくとも電流拡散層および第２コンタクト層を有し、前記第２コンタクト層は前記絶縁膜の前記開口部と重ならず、前記電流拡散層の厚さは前記第１コンタクト層の厚さよりも大きい第２導電型層と、
    　前記電流拡散層の表面における前記第２コンタクト層の非形成領域に設けられるパッド部、およびこの記パッド部から前記第２コンタクト層の上を延在する細い部分を有する第２電極と、
    　を備えた半導体発光素子。
  2. 　前記第１コンタクト層の厚さは、０．０２μｍ以上、１μｍ以下である請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 　前記組成傾斜層の厚さは、０．０１μｍ以上、０．１μｍ以下である請求項１さらには２に記載の半導体発光素子。
  4. 　前記発光層は、Iｎｚ（Ｇａ１－ｗＡｌｗ）１－ｚＰ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１）、ＡｌｑＧａ１－ｑＡｓ（０≦ｑ≦０．４５）、およびＩｎｇＧａ１－ｇＡｓｈＰ１－ｈ（０≦ｇ≦１、０≦ｈ≦１）のいずれかからなり、
    　前記第１コンタクト層は、ＧａＰからなり、
    　前記組成傾斜層は、前記クラッド層と前記第１コンタクト層との間に設けられ、Ｉｎｘ（Ｇａ１－ｙＡｌｙ）１－ｘＰ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなり、かつ、前記第１コンタクト層に近づくに従ってＩｎ組成比ｘおよびＡｌ組成比ｙがゼロに近づく請求項１に記載の半導体発光素子。
  5. 　前記発光層は、ＩｎｕＧａｖＡｌ１－ｕ－ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなり、
    　前記第１コンタクト層は、ＧａＮからなり、
    　前記組成傾斜層は、前記発光層と前記第１クラッド層との間に設けられ、ＩｎｕＧａｖＡｌ１－ｕ－ｖＮ（０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、ｕ＋ｖ≦１）からなり、前記第１クラッド層に近づくに従ってIII族組成比が前記第１クラッド層のIII族組成比に近づく請求項１に記載の半導体発光素子。
  6. 　前記絶縁層は前記開口部を含む複数の開口部を有し、前記複数の開口部は、前記細い部分の延在する方向に分散して設けられる請求項１に記載の半導体発光素子。
  7. 　前記第１電極は、錫ドープ酸化インジューム、酸化亜鉛、酸化錫のいずれか１つを含む透明導電膜をさらに有し、かつ、前記反射金属層および前記第１コンタクト層の間に設けられる請求項１に記載の半導体発光素子。
  8. 　前記反射金属層は、前記透明導電膜の側に凹凸面を有し、
    　前記透明導電膜は、前記反射金属層の前記凹凸面と対応した凹凸面を有する請求項７に記載の半導体発光素子。
  9. 　前記反射金属層は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｕのうちのいずれか１つを含む請求項８に記載の半導体発光素子。
  10. 　さらに、前記第２導電型層の表面のうち、少なくとも前記第２電極の非形成領域上に設けられたシリコン酸化膜を備えた請求項１に記載の半導体発光素子。
  11. 　前記第２導電型層の表面における前記第２電極の前記非形成領域は、凹凸面である請求項１０に記載の半導体発光素子。
  12. 　前記第２導電型層の表面のうち、前記第２電極の非形成領域は、凹凸面である請求項１に記載の半導体発光素子。
  13. 　前記反射金属層は、前記透明導電膜の側に凹凸面を有し、この凹凸面のピッチは、発光層からの放出光の媒質内における波長と同じか、またはそれよりも長い請求項７に記載の半導体発光素子。
  14. 　前記透明導電膜２６の厚さを１００から３００ｎｍとし、前記透明導電膜２６の凹凸面の平均深さは、５０から２００ｎｍとする請求項７に記載の半導体発光素子。
  15. 　前記シリコン酸化膜の厚さは、２５から４００ｎｍである請求項１０に記載の半導体発光素子。
  16. 　前記第２電極は、前記細い部分を含む複数の細い部分を有し、これらの複数の細い部分は、前記パッド部から外方に向かい前記第２コンタクト層の上を延在する請求項１に記載の半導体発光素子。
  17. 　前記第１導電型層は、前記第１クラッド層と前記発光層間に光ガイド層を有し、かつ、前記第２導電型層は、前記電流拡散層上に形成される第２クラッド層、および、この第２クラッド層と前記発光層間に形成される光ガイド層を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
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