(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面側の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第１の電極と、前記半導体積層部の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して設けられる第２の電極とからなり、前記第２の電極が、平面形状が四角形状の発光素子チップの１つの角部である第１の角部に設けられ、かつ、該第１の角部と前記発光素子チップの対角線上で対向する角部である第２の角部から該第２の角部に隣接する２辺に沿って前記第１の電極が設けられ、該第１の電極は、前記第２の角部で幅広に形成されながら、該第２の角部から離れるにつれて連続して細くなるように形成されると共に、該第１の電極の前記第２の電極と対向する側の形状が第２の電極に向き合った曲線または直線の組合せの形状に形成されてなる半導体発光素子。
【請求項２】
前記エッチングにより除去されずに残存する半導体積層部の第１導電形の半導体層および前記第２の電極の平面形状で対向する部分が互いに平行になるように前記半導体積層部のエッチングおよび前記第２の電極の形成がなされ、かつ、前記半導体積層部の表面側に電流拡散層が設けられてなる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の電極と、前記第２の電極との平面形状で対向する部分がほぼ平行になるように、前記第１および第２の電極が形成されてなる請求項１または２記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は青色系（紫外線から黄色）の光を発光するのに適したチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、基板上に半導体層が積層され、その表面側の第１導電形の半導体層と、積層された半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層にそれぞれ電極が設けられる半導体発光素子における、発光素子チップの面内での発光の均一性の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば青色系の半導体発光素子は、図３にその発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップという）の一例の概略図が示されるように、サファイアからなる絶縁性の基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されて形成される。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面にｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられることによりＬＥＤチップが形成されている。
【０００３】
この構造のＬＥＤチップのｐ側電極２８およびｎ側電極２９に順方向の電圧が印加されることにより、電流はｐ側電極２８からｐ形層２５に広がりながら活性層２４を通ってｎ形層２３に進み、ｎ形層２３からｎ側電極２９に向かって流れる。この電流経路の活性層２４部でキャリアが再結合して発光する。なお、ｐ形層２５での電流を充分に広げてｐ形層２５の全体で流れるようにするため、ｐ形層２５の表面側にＮｉ-Ａｕの合金層などからなる電流拡散層（図示せず）が設けられることがある。
【０００４】
一方、前述の構造のＬＥＤチップは、一般には電極が設けられる側の面が発光面となり、光が遮断されないように電極の面積が小さくされると共に、電流がチップの全面に広がり全体で発光するようにするため、ｐ側電極２８とｎ側電極２９は、図３（ｂ）に平面形状が示されるように、円形または矩形の電極形状とされ、四角形状のチップの対向する２つの角部にそれぞれ設けられている。そのため、ｐ側電極２８とｎ側電極２９とが設けられる２つの対向する角部とは異なる角部側における両電極間の電流経路Ｂは、両電極の対向する部分の電流経路Ａより長くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、電流経路により電極間で距離が異なると、距離の大きい所ではその電気抵抗が大きくなる。とくにチッ化ガリウム系化合物半導体では、ＧａＡｓ系の化合物半導体に比べて半導体層の電気抵抗が大きいため、距離が大きくなると直列抵抗の増加が著しくなる。このチッ化ガリウム系化合物半導体層の抵抗の増加は、ドーパントが充分にドーピングされないｐ形層で顕著であるが、ｎ形層においてもＧａＡｓ系化合物半導体に比較すると大きい。そのため、電流経路が長くなると直列抵抗が大きくなり、ＬＥＤチップの面内で、半導体層の直列抵抗の小さいところ、すなわちｐ側電極２８とｎ側電極２９とが直接対向し距離の短い部分の電流経路Ａに電流が集中して流れ、活性層を流れる電流もＬＥＤチップの面内で不均一になり、均一に発光しないという問題がある。
【０００６】
一方、前述のようにｐ形層の表面に電流拡散層が設けられることにより、両電極間の距離に拘らず抵抗の小さい電流拡散層を介してｐ形層の全体に広がりやすい。しかし、この種の発光素子は、一般に電流拡散層が設けられる表面から光が取り出されるため、電流拡散層は光を透過させる必要があり、光を透過させようとすると電気抵抗を充分に下げることができず、電気抵抗を充分に下げようとすると光が遮断されて、結局外部に光を取り出し得る外部発光効率が低下するという相反作用を有している。さらに前述のｎ形層の電気抵抗についてはその厚さを厚くすることにより、直列抵抗を下げることができるが、チッ化ガリウム系化合物半導体層を厚くエピタキシャル成長するには非常に時間がかかり、コストアップの原因になると共に、完全に直列抵抗をなくすることができない。そのため、前述のように、ｐ側電極とｎ側電極との間の経路が長くなる部分では電気抵抗が大きく、電流が流れ難くなることを避けられない。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、半導体層の電気抵抗が比較的大きいチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる半導体発光素子においても、ＬＥＤチップの面内での電流が均一になり、全体で均一に発光する半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面側の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第１の電極と、前記半導体積層部の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して設けられる第２の電極とからなり、前記第２の電極が、平面形状が四角形状の発光素子チップの１つの角部である第１の角部に設けられ、かつ、該第１の角部と前記発光素子チップの対角線上で対向する角部である第２の角部から該第２の角部に隣接する２辺に沿って前記第１の電極が設けられ、該第１の電極は、前記第２の角部で幅広に形成されながら、該第２の角部から離れるにつれて連続して細くなるように形成されると共に、該第１の電極の前記第２の電極と対向する側の形状が第２の電極に向き合った曲線または直線の組合せの形状に形成されている。
【０００９】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。また、第１導電形および第２導電形とは、半導体の導電形のｎ形およびｐ形のいずれか一方を第１導電形としたとき、他方のｐ形またはｎ形が第２導電形であることを意味する。
【００１０】
この構造にすることにより、平面形状が四角形状の発光素子チップの両電極がそれぞれ設けられ、対向する２つの角部を結ぶ方向のみならず、他の角部側と第２の電極とを結ぶ方向の距離も短くなり、電気抵抗が小さくなる。そのため、対向する角部を結ぶ方向のみならず、他の角部の方向からも電流が流れやすく、チップの全面で均等に電流が流れ、面内で均一に発光する。
【００１１】
前記エッチングにより除去されずに残存する半導体積層部の第１導電形の半導体層および前記第２の電極の平面形状で対向する部分が互いに平行になるように前記半導体積層部のエッチングおよび前記第２の電極の形成がなされ、かつ、前記半導体積層部の表面側に電流拡散層が設けられていることにより、第１導電形層のエッチング端部の真下の第２導電形半導体層から第２の電極に至る距離はどこでも等しく、第１導電形の半導体層に広がった電流が第２導電形の半導体層に進む場合に、第２導電形の半導体層の一部に電流が集中しないで全体に広がって流れるため好ましい。
【００１２】
前記第１の電極と、前記第２の電極との平面形状で対向する部分がほぼ平行になるように、前記第１および第２の電極が形成されることにより、両電極間の距離が等しくなり、電流の均一化に寄与する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図１には、たとえば青色系の発光に適するチッ化ガリウム系化合物半導体が積層された本発明の半導体発光素子のチップの断面および平面の説明図が示されている。
【００１４】
本発明の半導体発光素子は、たとえば図１に示されるように、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）などからなる基板１の表面に発光層を形成する半導体積層部１０が形成されて、その表面側の第１導電形の半導体層（ｐ形層５）にｐ側電極（第１の電極）８が電気的に接続されている。また、半導体積層部１０の一部が除去されて露出する第２導電形の半導体層（ｎ形層３）にｎ側電極（第２の電極）９が電気的に接続して形成されている。本発明では、図１（ｂ）に平面図が示されるように、平面形状が矩形状のＬＥＤチップ１３の１つの角部である第１の角部１３ａにｎ側電極９が設けられ、その第１の角部１３ａと対向する角部である第２の角部１３ｂから、その第２の角部１３ｂに隣接する２辺に沿ってｐ側電極８が設けられている。図１に示される例では、２辺に沿って設けられる電極が線状に設けられ、ワイヤボンディングをするためのパッド８ａが第２の角部１３ｂで交わる２辺に沿った電極８の交点部分に設けられている。その結果、ｎ側電極９に対向する第２の角部１３ｂと異なる第３および第４の角部１３ｃ、１３ｄ方向におけるｐ側電極８からｎ側電極９までの距離は小さくなり、第２の角部１３ｂにｐ側電極８が存在するだけの場合より、第２の角部１３ｂから第３および第４の角部１３ｃ、１３ｄに至る端部近傍からもｐ側電極８とｎ側電極９との距離が充分に小さくなっている。
【００１５】
このようなｐ側電極８の形状は、電極金属を蒸着などにより成膜した後にレジスト膜を設けてパターニングをするか、予めレジスト膜を設けておいてパターニングをした後に電極金属を蒸着するリフトオフ法による通常の電極形成の工程において、マスクとするレジスト膜のパターニング形状を所望の形状にすることにより得られる。そのため、図１に示されるようなＬＥＤチップ１３の第２の角部１３ｂからその角部１３ｂと隣接する辺に沿って線状に延びるｐ側電極８は容易に形成される。
【００１６】
図１に示される例では、（ｂ）に平面図が示されるように、ｎ側電極９を形成するために積層された半導体層の一部がエッチングされて残存する半導体積層部１０のエッチングされたエッチング端部１０ａとｎ側電極９の前記端部１０ａとの対向部分も、平面形状で平行になるように半導体積層部１０のエッチング端部１０ａおよびｎ側電極９の形状が形成されている。その結果、ｐ形層５のｎ側電極９に最も近いエッチング端部１０ａとｎ側電極９との距離もその対向部分のどこにおいても等しくなっている。このエッチング端部１０ａとｎ側電極９の形状の対向部を等距離にするには、半導体積層部１０のエッチングの際のレジスト膜などのマスクのパターニングを電極の形状と平行（相似形状）になるように行うことにより簡単に形成される。
【００１７】
半導体積層部１０は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層、クラッド層となるｎ形のＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体の積層構造からなるｎ形層３、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４、およびｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層および／またはＧａＮ層からなるｐ形層（クラッド層）５が、基板１上にそれぞれ順次積層されることにより構成されている。
【００１８】
この半導体発光素子を製造するには、たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、反応ガスおよび必要なドーパントガスを導入してｎ形層３を１〜５μｍ程度、活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度、およびｐ形層５を０.２〜１μｍ程度、それぞれエピタキシャル成長する。その後、表面にレジスト膜を設け、パターニングをして塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより、積層された半導体層の一部を図１に示されるように除去する。この際、図１（ｂ）に示されるように、エッチング端部１０ａとｎ側電極９との距離が、その対向部において等しくなるように形成するに場合には、このエッチングの際のマスクの形状がｎ側電極９の形状と平行になるようにレジスト膜のパターニングをすることにより得られる。その後、たとえばリフトオフ法により、ＴｉとＡｕとを積層して両金属の積層構造からなるｐ側電極８を形成する。このリフトオフ法のマスクを形成する場合に、前述のように、第２の角部１３ｂからその角部１３ｂに隣接するＬＥＤチップの２辺に沿って延びるようにパターニングをすることにより、図１に示される形状のｐ側電極８が形成される。また同様に、たとえばリフトオフ法により、ＴｉとＡｌをそれぞれ積層してシンターすることにより両金属の合金層からなるｎ側電極９を形成する。
【００１９】
本発明の半導体発光素子においては、ｐ側電極８から供給される電流は、ｐ形層５、活性層４、およびｎ形層３を経てｎ側電極９に向かって流れる。この電流の経路は、電気抵抗の小さいところを通って流れる。しかし、ｐ側電極８が第２の角部１３ｂだけではなく、その角部１３ｂを挟む２辺に沿って設けられているため、従来のｎ側電極９とｐ側電極８とが対向して設けられる角部とは異なる第３および第４の角部１３ｃ、１３ｄを結ぶ辺側においても電流が流れ易くなる。そのため、ＬＥＤチップのどこでも両電極８、９間の距離がほぼ等しくなり、電流が一様に広がる。その結果、部分的に電流が集中して半導体層が劣化したり、部分的に輝度が明るい不均一な発光をしないで、ＬＥＤチップの全面で均等に発光する。
【００２０】
なお、積層された半導体層の一部がエッチングされて残存する半導体積層部１０のエッチング端部１０ａと、ｎ側電極９とはその平面形状での対向部において平行（等距離）になるように形成されていることにより、ｐ形層に広がった電流がｎ形層に達した後、ｎ側電極９に至る経路は、半導体積層部１０のエッチング端部１０ａからｎ側電極９を見る距離はエッチング端部１０ａのどの部分でも同じになる。そのため、ｐ側電極８からｎ側電極９への電流経路はエッチング端部１０ａのどの部分を経由してもエッチング端部１０ａの下部のｎ形層３からｎ側電極９に至る電気抵抗は同じになる。その結果、ｐ形層５から活性層４を経てｎ形層３に至る電流の経路は、ｎ形層３の一部に集中しないで、均等に分散して流れる。その結果、活性層４に分散して電流が流れ、ＬＥＤチップの全面で均等に発光し発光ムラがなくなり易くなる。このエッチング端部１０ａの形状とｎ側電極９の形状を対向部分において平行にすることは、とくに後述する電流拡散層が設けられる場合にｐ形層に電流が広がりやすいためその効果が大きい。
【００２１】
本発明は、以上のように、ｐ側電極が１つの角部から２辺に沿って延びるように形成されているもので、その幅とか、形状には限定されない。すなわち、図２に示されるように、第２の角部１３ｂで幅広に、２辺の先に行くにしたがって曲線または直線で細くなるように形成されてもよい。この場合、ｐ側電極８のｎ側電極９側の形状がｎ側電極９の対向する部分の形状と平行になるように形成されることが、両電極間の距離が等しくなり、電流の均一化に好ましい。なお、図２において図１と同じ部分には同じ符号を付してある。
【００２２】
また、図１に示される例では、ｐ形層５上に直接ｐ側電極８が設けられていたが、電流拡散層を介してｐ側電極８が設けられていても、ｐ側電極８が２辺に沿って設けられておれば同様の効果が得られる。電流拡散層は、たとえばＮｉおよびＡｕがそれぞれ真空蒸着などにより積層されてシンターされることにより合金化され、２〜１００ｎｍ程度の厚さに形成される。この電流拡散層は活性層で発光する光を透過させる必要があるが、光の透過と電気抵抗とは相反関係にあり、電気抵抗を無視できるほど完全に小さくすることができない（電気抵抗を小さくするため電流拡散層を厚くすると、光を透過しなくなる）。しかし、電流拡散層が設けられることにより、ある程度は電流拡散層を介して電流が拡散するため、ｐ形層５での電流の拡散が得られるからである。この場合、ｐ形層のエッチング端部１０ａとｎ側電極９との距離が等距離になるように半導体積層部１０がエッチングされることにより、一層ｎ形層３での電流の集中を防ぐことができる。
【００２３】
図１に示される例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造の半導体発光素子でも同様である。また、積層される半導体層の材料も一例であって、その材料には限定されないが、チッ化ガリウム系化合物半導体の場合にその電気抵抗が大きいため、効果が大きい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、発光素子チップの隅部にも電流が流れて電流分布が均一になるため、均一な発光をし、発光効率が向上する。さらに、電流が部分的に集中しないため、部分的に半導体層が劣化して寿命を短くしたり、不良に至らしめることがない。その結果、発光効率が低下しやすく、寿命が短くなりやすいチッ化ガリウム系化合物半導体においても、高特性で、高信頼性の半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面および平面説明図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の平面説明図である。
【図３】従来の半導体発光素子の一例の斜視および平面パターンの説明図である。
【符号の説明】
１    基板
３    ｎ形層
５    ｐ形層
８    ｐ側電極
９    ｎ側電極
１０    半導体積層部
【図１】
0003706458.tif 000002
【図２】
0003706458.tif 000003
【図３】
0003706458.tif 000004