(57)【要約】【課題】  光取出し効率を改善した高光出力の窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】  窒化物半導体発光素子は、複数の窒化物半導体層（２２−２４）を含む半導体層積層体と、その半導体積層体に含まれるｐ型層（２４）上に形成された反射層（４１）と、その反射層上の第１と第２の接着金属層（５０、６０）と、その第２の接着金属層（６０）上の導電性基板（７０）と、半導体積層体に含まれるｎ型層（２２）上に形成された負電極（２５）とを含むことを特徴としている。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の窒化物半導体層を含む半導体層積層体と、
前記半導体積層体に含まれるｐ型層上に形成された反射層と、
前記反射層上の第１と第２の接着金属層と、
前記第２の接着金属層上の導電性基板と、
前記半導体積層体に含まれるｎ型層上に形成された負電極とを含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子
【請求項２】
前記ｐ型層と前記反射層との間の少なくとも部分的領域に形成されたオーミック電極をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記オーミック電極は少なくとも前記負電極に対面する領域を除く部分的領域に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記オーミック電極はＰｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、およびＩｎから選択された少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記オーミック電極は１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記反射層はＡｇ−Ｎｄ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｂｉ、Ａｌ−Ｎｄ、Ａｇ−Ｂｉ−Ｎｄ、Ａｇ−Ｂｉ、Ａｇ−Ｎｄ−Ｃｕ、Ａｇ−Ａｕ−Ｃｕ、およびＡｇ−Ｐｄ−Ｃｕから選択された少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物系化合物半導体発光素子に関し、特に、窒化物半導体発光素子の光出力の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系化合物半導体は、たとえばＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０≦ｚ＜１）で表わされ、大きなエネルギバンドギャップや高い熱的安定性を有し、またその組成を調節することによってバンドギャップ幅を制御することも可能である。したがって、窒化物系化合物半導体は、発光素子や高温デバイスをはじめとして、さまざまな半導体デバイスに応用可能な材料として期待されている。
【０００３】
なかでも、窒化物系化合物半導体を用いた発光素子としては、青から緑の光波長域で数ｃｄ級の光度を有する発光ダイオードが既に開発されて実用化されている。また、大容量光ディスクメディアに対するピックアップ用光源として、窒化物系化合物半導体を用いたレーザダイオードの実用化が研究開発の目標になりつつある。たとえば、特許文献１の特開平９−８４０３号公報には、そのような発光ダイオードやレーザの素子構造の例が開示されている。
【０００４】
図７の断面図は、特許文献１に開示された発光ダイオードの積層構造を模式的に図解している。この発光ダイオードにおいて、正電極１０７が形成された導電性基板１００上に、第一のオーミック電極層１０２に接合された第二のオーミック電極層１０１が形成されている。そして、第一のオーミック電極層１０２上には、窒化ガリウム系半導体のｐ型層１０３、活性層（発光層）１０４、およびｎ型層１０５が順次積層され、その上に負電極１０６が形成されている。ここで、第一のオーミック電極層１０２と第二のオーミック電極層１０１とは、互いに加熱圧着によって接合されている。
【０００５】
このように、特許文献１に開示されている従来技術においては、オーミック電極層１０１と１０２を加熱圧着で互いに接合することによって、窒化物半導体層１０３−１０５を導電性基板１００へ接合している。
【特許文献１】特開平９−８４０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、オーミック電極層１０１、１０２は他の高反射率材料に比べて反射率が低く、発光層１０４からの光が素子の外部へ効率的に取り出せないという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は光取出し効率を改善した高光出力の窒化物半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による窒化物半導体発光素子は、複数の窒化物半導体層を含む半導体層積層体と、その半導体積層体に含まれるｐ型層上に形成された反射層と、その反射層上の第１と第２の接着金属層と、その第２の接着金属層上の導電性基板と、半導体積層体に含まれるｎ型層上に形成された負電極とを含むことを特徴としている。
【０００９】
なお、ｐ型層と反射層との間において、少なくとも部分的領域に形成されたオーミック電極をさらに含むことができる。また、そのオーミック電極は、少なくとも負電極に対面する領域を除く部分的領域に形成されていることが好ましい。ただし、光取り出し効率を重視する場合にはオーミック電極を含まなくてもよく、その場合には素子駆動電圧が１Ｖ程度上昇するが反射層でオーミック性を得ることも可能であり、また反射層と他の層との十分な密着性が得られるので、オーミック電極は必ずしも不可欠ではない。
【００１０】
オーミック電極としては、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｐｔ、およびＰｄから少なくとも一種を選ぶことができる。密着性の観点からは、オーミック電極としてＰｄがより好ましい。部分的に形成されるオーミックの平面形状は限定されず、任意の形状に形成することができる。オーミック電極の厚さは、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内にあることが好ましく、３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内にあることがより好ましい。
【００１１】
反射層としては、Ａｇ−Ｎｄ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｂｉ、Ａｌ−Ｎｄ、Ａｇ−Ｂｉ−Ｎｄ、Ａｇ−Ｂｉ、Ａｇ−Ｎｄ−Ｃｕ、Ａｇ−Ａｕ−Ｃｕ、およびＡｇ−Ｐｄ−Ｃｕから少なくとも１種を選択することができ、特にＡｇ−Ｎｄがより好ましい。また、反射層の厚さとしては、光が透過しない程度に厚ければよく、１００ｎｍ〜１μｍの範囲内にあることが好ましく、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内にあることがより好ましい。
【００１２】
導電性基板としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＩｎＰ、Ｇｅなどのように導電性を有していれば特に制限はないが、発光素子の信頼性の観点から熱膨張係数や熱伝導度などをも考慮することが好ましい。
【００１３】
他方、複数の窒化物半導体層を含む半導体層積層体を形成する過程において利用される絶縁性基板として、サファイア、スピネル、ＳｉＣなどの基板を用いることができ、サファイアが安価であるという観点からより好ましい。また、その絶縁性基板を半導体積層体から除去する方法としては、たとえばレーザ照射を用いることができる。すなわち、絶縁性基板上に窒化物半導体積層体を成長させる場合に、一般には格子定数の相違を緩和する観点から厚さ２０ｎｍ程度のバッファ層を介在させて成長させるので、絶縁性基板側から所定波長のレーザ光を照射することによってバッファ層の一部または全体が溶解して絶縁性基板が除去され得る。
【００１４】
絶縁性基板が除去された窒化物半導体積層体の露出面上に第１の接着金属層を形成するとともに、その第１の接着金属層と導電性基板上に形成された第２の接着金属層とを互いに対面させて接合することによって、発光素子が作製され得る。その接合方法としては、たとえば加熱圧着を利用することができる。接着金属層としては導電性を有していればよく、たとえばＡｇ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｂｉ、ＺｎおよびＰｂなどを利用することができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明による窒化物半導体発光素子は反射層を含んでいるので、この反射層が発光層からの光を反射して効率的に素子外へ放射させることを可能にし、その結果として発光素子の光出力を改善することができる。なお、ｐ型層と反射層との間において少なくとも部分的領域に形成されたオーミック電極をさらに含んでいてもよく、その場合には反射層の不十分なオーミック性を補うことができる。この場合に、オーミック電極は部分的領域にしか形成されないので、オーミック電極による光吸収は大きくなく、光取り出し効率の改善に及ぼす影響は小さい。
【００１６】
少なくとも負電極に対面する領域を除く部分的領域にオーミック電極が形成されている場合、反射層のオーミック性はそれほどよくないので、負電極直下の電流は遮られて周りに広がることになり、これによって光を取り出しやすい周囲領域からの発光効率が向上する。
【００１７】
ただし、ｐ型層と反射層との間においてオーミック電極を全く形成しない場合でも、素子駆動電圧は少し上昇するが、オーミック電極による光吸収がないので、光取り出し効率が顕著に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施例１）
図１の断面図は、本発明の実施例１による発光素子の形成途中の状態を模式的に図解している。なお、本願の各図において、同一の参照符合は同一部分または相当部分を示している。
【００１９】
図１において、サファイア基板１上に複数の窒化物半導体層２１−２４を含む積層体２が形成されている。この窒化物半導体積層体２は、サファイア基板１側から順に、ＧａＮバッファ層２１、ドナー不純物がドープされたＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）のｎ型層２２、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）の活性層２３、およびアクセプター不純物がドープされたＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）のｐ型層２４を少なくとも含んでいる。それらの窒化物半導体積層体２１−２４の結晶成長には、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）が用いられ得る。
【００２０】
図２の模式的断面図に示されているように、窒化物半導体積層体２の表面上すなわち図１中のｐ型層２４上に、オーミック電極３として、Ｐｄ層が３ｎｍの厚さに形成される。そのｐ型用オーミック電極３の形成方法としては、窒化物半導体積層体２上にフォトレジストパターンを形成し、ＥＢ（電子ビーム）法にてＰｄ層を蒸着した後に、そのレジストが除去される。本実施例１では、そのｐ型用オーミック電極３が、たとえば複数の水玉形状になるように形成され得る。
【００２１】
さらに、それらの複数の水玉形状のｐ型用オーミック電極３と窒化物半導体積層体２の表面とを覆うように、Ａｇ−Ｎｄの反射層４１が１５０ｎｍの厚さに堆積される。その反射層４１上には、拡散防止層４２として、Ｎｉ−Ｔｉ層が６０ｎｍの厚さに堆積される。そして、拡散防止層４２上には、第１の接着金属層５０として、Ａｕ膜が３μｍの厚さに堆積される。
【００２２】
他方、サファイア基板１とほぼ同等の大きさを有するｐ型Ｓｉ基板７０が、導電性基板として用いられる。このｐ型Ｓｉ基板７０の表面上に、Ｔｉ、Ａｕ、およびＡｕＳｎを含む第２の接着金属層６０を３μｍの厚に形成する。
【００２３】
そして、図２に示されているように、第１の接着金属層５０までの複数層が積層されたサファイア基板１と、第２の接着金属層６０が付与されたＳｉ基板７０とが、それらの接着金属層同士を加熱圧着することによって互いに接合される。このとき、サファイア基板１とＳｉ基板７０は、互いに平行になるように接合される。そうしなければ、次にサファイア基板１を除去するプロセスにおいて、そのサファイア基板を全面に渡って適切に除去出来なくなる恐れがあるからである。
【００２４】
図３の模式的断面図において矢印で示されているようにサファイア基板１側から所定波長のレーザ光を照射し、窒化物半導体積層体２中に含まれるバッファ層２１（図１参照）を溶解することによって、サファイア基板１を除去する。本実施例１では、たとえばＹＡＧ−ＴＨＧレーザ光（波長３５５ｎｍ）を利用し得る。このレーザ光照射において、完全にはバッファ層２１が溶解しなくて、サファイア基板１を完全には除去しきれない場合には、１００℃程度の熱湯にウェハを浸してサファイア基板１を除去することができる。
【００２５】
図４の模式的断面図に示されているように、サファイア基板１が除去されて露出したｎ型層２２上には、ｎ型用オーミック用電極２５として、Ｔｉ−Ａｌ電極２５が厚さ２０ｎｍのパッド状に形成される。他方、ｐ型Ｓｉ基板７０の全表面上に、ｐ型用オーミック電極７５として、Ｔｉ−Ａｌ電極層が２０ｎｍの厚さに形成される。
【００２６】
以上のようにして正負電極７５、２５を形成したウエハから、スクライブ装置などを用いて、２００μｍ角の発光素子チップが分割される。図４は、そのような分割後の発光素子チップの断面構造を示している。図４における負電極２５と正電極７５に通電することによって活性層２３が発光し、その光は反射層４１で反射されて素子から上方へ効率的に取り出され得る。さらに、本実施例１においては、オーミック電極３が窒化物半導体層２４の全面上ではなくて部分的領域上に形成されているので、オーミック電極３の部分で吸収される光を大幅に減らすことができ、これによって従来の発光素子に比べて５０％以上の発光出力の向上が得られる。
【００２７】
なお、本実施例１において導電性基板７０としてＳｉ基板を用いているが、熱伝導率が良好であって劈開面を形成しやすくかつｐ型またはｎ型の導電性を得やすい材料の基板であればよい。より具体的には、たとえばＳｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰおよびＩｎＰからなる群から選択される少なくとも一種の半導体が導電性基板として好ましく用いられ得る。特に、本発明においては、安価な観点からＳｉ基板を用いることが好ましい。同様に、発光素子の作製過程において利用される絶縁性基板１に関しても、サファイア基板に替えてスピネル基板またはＳｉＣ基板などを用いることもできる。
【００２８】
また、本実施例１ではオーミック電極３としてＰｄを用いているが、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｐｔ、およびＮｉから少なくとも１種を選べばよい。ただし、Ｐｄは密着性の観点から特に好ましい。オーミック電極３の厚さも３ｎｍに限定されるわけではなく、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の厚さで形成するのが好ましく、あまり厚すぎれば光を吸収してしまうので３ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内の厚さが特に好ましい。
【００２９】
さらに、本実施例１では反射層４１としてＡｇ−Ｎｄを用いているが、Ａｇ−Ｎｄ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｂｉ、Ａｌ−Ｎｄ、Ａｇ−Ｂｉ−Ｎｄ、Ａｇ−Ｂｉ、Ａｇ−Ｎｄ−Ｃｕ、Ａｇ−Ａｕ−Ｃｕ、およびＡｇ−Ｐｄ−Ｃｕなどのように高反射率を有しかつ導電性である材料ならば特に限定されない。
【００３０】
さらに、本実施例１では拡散防止層４２としてＮｉ−Ｔｉを用いているが、導電性を有しかつ拡散速度が接着金属層よりも遅い材料であれば特に限定はなく、Ｗ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉなどから少なくとも１種類を選択することが好ましい。なお、望まれる場合には、拡散防止層４２を省略することもできる。
【００３１】
さらに、本実施例１では第１の接着金属層５０としてＡｕを使用しているが、Ａｇ、Ｓｎ、Ｉｎなどの導電性材料を用いることも可能であり、これらの導電性材料は第２の接着金属層６０としても同様に用いることができる。
【００３２】
（実施例２）
図５の断面図は、本発明の実施例２による発光素子を模式的に図解している。本実施例２においては、図５に示されているように、Ｐｄのオーミック電極３が負電極２５の直下の領域を避けて形成されている。また、本実施例２においては、サファイア基板１を除去した後に露出されたｎ型層２２の全面上にＩＴＯ（インジウム錫酸化物）の透明電極８が１５０ｎｍの厚さに形成されている。そして、この透明電極８の上に、厚さ２０ｎｍのＴｉ−Ａｌ電極２５が素子の領域においてパッド状に形成されている。さらに、ｐ型Ｓｉ基板７０の全下面上に正電極７５が形成されている。
【００３３】
図５に示されているように、意図的に負電極２５の直下領域を避けてオーミック電極３を配置することによって、素子中の電流分布の広がりがよくなる。なぜならば、素子中心部の反射層４はオーミック特性があまりよくないので、擬似的な電流阻止層の役割を果たすからである。すなわち、負電極２５直下領域の電流は遮られて周りに広がることになり、その負電極２５に遮られて光が取り出せない領域には意図的に電流を流さないようにしている。このことによって、光を取り出しやすい素子周辺領域における発光効率が向上する。その結果、本実施例２では、実施例１と比較しても２０％以上の光出力の向上が得られる。
【００３４】
（実施例３）
図６の断面図は、本発明の実施例３による発光素子を模式的に図解している。本実施例３の発光素子は、図６に示されているように、オーミック電極３が省略されかつ透明電極８が付加されていることのみにおいて実施例１と異なっている。その結果、本実施例３においては、オーミック電極３が存在しないので素子駆動電圧が高くなるが、オーミック電極３による光の吸収がないので、実施例１と比較しても２０％以上の光出力の向上が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明によれば、光取出し効率を向上させた高光出力の窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施例による窒化物系半導体発光素子の形成途中の状態を示す模式的断面図である。
【図２】図１の後の工程を示す模式的断面図である。
【図３】図２の後の工程を示す模式的断面図である。
【図４】図１から図３の工程を経て形成された発光素子を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の他の実施例による発光素子を示す模式的断面図である。
【図６】本発明のさらに他の実施例による発光素子を示す模式的断面図である。
【図７】従来の窒化物系半導体発光素子の積層構造を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  サファイヤ基板、２１  バッファ層、２２  ｎ型層、２３  活性層、２４  ｐ型層、２５  負電極、３  オーミック電極、４１  反射層、４２  拡散防止層、５０  第１の接着金属層、６０  第２の接着金属層、７０  ｐ型Ｓｉ基板、８  透明電極、１００  サファイア基板、１０１  第二のオーミック電極、１０２  第一のオーミック電極、１０３  ｎ型層、１０４  活性層、１０５  ｐ型層、１０６  正電極、１０７  負電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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