(57)【要約】【課題】高出力及び高輝度、高寿命の半導体発光素子を提供する。【解決手段】第１／第２導電型半導体層上に其々第１／第２電極を、同一面側に備えた半導体発光素子であり、第１電極は、第１台座部とこれを基点として同方向に延びる２以上の第１延伸部とを備え、第２電極は、第２台座部とこれから第１台座部に近づくように第１延伸部と略同方向に延びる第２延伸部とを備え、２以上の第１延伸部は、其々同方向部分に、第２電極における第１台座部から最も遠い端部を越えて素子外周方向に配置された終端部を有し、一方の第１延伸部は同方向部分に第１台座部が設けられ、他方の第１延伸部は同方向部分で、第１電極と第２電極との間隔が最短となるように配置され、第２延伸部は、他方の第１延伸部の同方向部分と第２台座部との最短間隔及び他方の第１延伸部の同方向部と第２延伸部との最短間隔が同じになるように第２台座部から延伸してなる半導体発光素子。【選択図】図２
2008016809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２導電型半導体層上にそれぞれ第１及び第２電極を備え、第１及び第２電極が同一面側に配置されてなる半導体発光素子であって、
前記第１電極は、第１台座部と、該第１台座部を基点として同方向に延びる少なくとも２つの第１延伸部とを備え、前記第２電極は、第２台座部と、該第２台座部から前記第１台座部に近づくように前記第１延伸部と略同方向に延びる第２延伸部とを備え、
前記少なくとも２つの第１延伸部は、それぞれ、同方向部分において、前記第２電極における前記第１台座部から最も遠い端部を越えて素子外周方向に配置された終端部を有し、一方の第１延伸部は同方向部分に前記第１台座部が設けられ、他方の第１延伸部は同方向部分において前記第１電極と前記第２電極との間隔が最短となるように配置され、
前記第２延伸部は、前記他方の第１延伸部の同方向部分と前記第２台座部との最短間隔、及び、前記他方の第１延伸部の同方向部と前記第２延伸部との最短間隔が同じになるように、前記第２台座部から延伸されてなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第２電極が２以上形成され、
前記第１電極は、３つの第１延伸部を有し、
該３つの第１延伸部は、同方向部分に１つのみの第１台座部が設けられる１つの第１延伸部と、同方向部分において前記第１電極と前記第２電極との間隔が最短となるように配置される他の２つの第１延伸部、または、同方向部分において前記第１電極と前記第２電極との間隔が最短となるように配置される１つの第１延伸部と、同方向部分に第１台座部が１つずつ設けられる他の２つの第１延伸部である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第２台座部と前記第１台座部との距離は、前記第２台座部と素子外周との距離と等しいか、それよりも大きい請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２導電型半導体層と前記第１導電型半導体層との間に発光層を有し、前記第２導電型半導体層は、一部の領域において、前記第１導電型半導体層及び前記発光層が除去されて、その表面が露出しており、
前記第２電極は、該露出表面上に設けられ、その外周が前記第１導電型半導体層に囲まれて配置される請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関し、より詳細には、一対の電極が、半導体発光素子の同一面側に形成されて構成される半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体層の積層構造体からなる発光素子において、大面積化を実現するために、種々の研究開発が行われている。
例えば、サファイア基板などの絶縁性基板上に窒化物半導体層を積層した素子１では、図１３に示したように、このｐ型半導体層４及び活性層の一部が深さに除去されてｎ型半導体層５が露出しており、これらの半導体層表面、つまり窒化物半導体層の同一面側に、ｎ電極２及びｐ電極３の一対の電極が設けられる。これらのｎ電極２及びｐ電極３は、それぞれ、台座部２ｄ、３ｄと、そこから延伸させた延伸部２ｅ、３ｅとによって構成されており、電流を所定の領域に過度に集中させず、広い領域に拡散させることを意図している（例えば、特許文献１〜５参照）。
【特許文献１】特開２００１−３４５４８０号公報
【特許文献２】特開２０００−１６４９３０号公報
【特許文献３】特開２００４―５６１０９号公報
【特許文献４】特開２００２−３１９７０５号公報
【特許文献５】特開２００５−１９６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、各電極において台座部と延伸部とを設けても、その形状、配置等によって、発光領域を広く均一に利用することは困難である。また、発光領域を広く利用するために、各電極を大きくしたり、変形させたりすると、電流が過度に集中する領域が出現することがあり、均一で効率的な発光特性を得ることができない。
【０００４】
均一で効率的な発光特性を得るために、台座部と延伸部との形状及び配置について検討し、電流の集中を緩和したとしても、そのような発光素子に、大電流を流すと、長時間駆動させるにつれて、やはり部分的に熱を発生し、発光素子自体が破壊されることがあるという新たな問題を招くこととなった。
特に、発光素子が窒化物半導体層によって形成されている場合、ｎ型半導体層とｐ型半導体層とでは比抵抗が異なるため、抵抗の高いｐ型半導体層に電気的に接続されたｐ電極において、部分的に破壊されやすいという傾向があった。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、半導体層の組成、膜厚、形状、導電型、抵抗値等にかかわらず、半導体層及び電極に電流が集中する領域を招くことなく、均一で効率的で、大電流を流す場合にも、高出力及び高輝度の双方を実現しながら、半導体層及び電極の破壊を回避して高寿命の半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の半導体発光素子は、第１及び第２導電型半導体層上にそれぞれ第１及び第２電極を備え、第１及び第２電極が同一面側に配置されてなる半導体発光素子であって、
前記第１電極は、第１台座部と、該第１台座部を基点として同方向に延びる少なくとも２つの第１延伸部とを備え、前記第２電極は、第２台座部と、該第２台座部から前記第１台座部に近づくように前記第１延伸部と略同方向に延びる第２延伸部とを備え、
前記少なくとも２つの第１延伸部は、それぞれ、同方向部分において、前記第２電極における前記第１台座部から最も遠い端部を越えて素子外周方向に配置された終端部を有し、一方の第１延伸部は同方向部分に前記第１台座部が設けられ、他方の第１延伸部は同方向部分において前記第１電極と前記第２電極との間隔が最短となるように配置され、
前記第２延伸部は、前記他方の第１延伸部の同方向部分と前記第２台座部との最短間隔、及び、前記他方の第１延伸部の同方向部と前記第２延伸部との最短間隔が同じになるように、前記第２台座部から延伸されてなることを特徴とする。
【０００７】
このような半導体発光素子は、前記第２電極が２以上形成され、
前記第１電極は、３つの第１延伸部を有し、
該３つの第１延伸部は、同方向部分に１つのみの第１台座部が設けられる１つの第１延伸部と、同方向部分において前記第１電極と前記第２電極との間隔が最短となるように配置される他の２つの第１延伸部、または、同方向部分において前記第１電極と前記第２電極との間隔が最短となるように配置される１つの第１延伸部と、同方向部分に第１台座部が１つずつ設けられる他の２つの第１延伸部であることが好ましい。
【０００８】
また、前記第２台座部と前記第１台座部との距離は、前記第２台座部と素子外周との距離と等しいか、それよりも大きいことが好ましい。
【０００９】
さらに、前記第２導電型半導体層と前記第１導電型半導体層との間に発光層を有し、前記第２導電型半導体層は、一部の領域において、前記第１導電型半導体層及び前記発光層が除去されて、その表面が露出しており、
前記第２電極は、該露出表面上に設けられ、その外周が前記第１導電型半導体層に囲まれて配置されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体層の組成、膜厚、形状、導電型、抵抗値等にかかわらず、半導体層に電流を投入した場合においても、半導体層及び電極に電流が集中する領域を招くことなく、均一で効率的に発光させることができる。また、大電流を流す場合にも、高出力及び高輝度の双方を実現しながら、半導体層及び電極の破壊を回避して高寿命の半導体発光素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の半導体発光素子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の半導体発光素子は、図１に示すように、通常、基板上に、第２導電型半導体層１１、発光層１２及び第１導電型半導体層１３がこの順に積層されており、第１導電型半導体層１３上に第１電極１６が形成されている。また、この半導体発光素子では、第２導電型半導体層１１は、１つの半導体発光素子の一部の領域において、第１導電型半導体層１３及び発光層１２、任意に第２導電型半導体層１１の深さ方向の一部が除去されて、表面が露出しており、この露出表面上に第２電極１４が形成されている。従って、第１電極１６及び第２電極１４は、半導体層の同一面側に配置されて構成されている。また、図２に示すように、第１電極１６は、第２電極１４に対向して、言い換えると、第２電極１４の一部を取り囲むように配置されている。
【００１２】
第１電極は、第１台座部と、第１台座部を基点として延設された少なくとも１つ、好ましくは２以上の第１延伸部とから構成されている。例えば、図２に示すように、第１電極１６は、第１台座部１６ａと第１延伸部１６ｂとを備え、さらに別の第１延伸部１６ｃを備えていてもよい。このような構成により、第１導電型半導体層の全面に渡って、均一に電流を投入することができる。なお、第１台座部は、１つでもよいし、２以上形成されていてもよい、これに伴って、第１延伸部も、各第１台座部に対応して、上述したように形成されていることが好ましい。第１延伸部１６ｂは、第２電極１４、特に、第１延伸部１６ｂを含む第１電極１６に対向する第２電極、言い換えると、第１延伸部１６ｂが延びている第１台座部１６ａにもっとも近い第２電極における第１台座部１６ａから最も遠い端部１４ａａを越えて、素子外周方向に延設されている。このことは、第１延伸部１６ｂと、第２電極１４の端部１４ａａとでは、第１延伸部１６ｂと素子外周縁部との距離が、第２電極の端部１４ａａと素子外周部との距離よりも短いことを意味する。これにより、第１及び第２電極間の最も短い領域における第１電極の破壊を有効に防止することができる。
【００１３】
図２に示すように、第１電極１６が第１延伸部を２以上備える場合には、全ての第１延伸部の幅は同じであってもよいが、１つの第１延伸部１６ｂの幅（図１中、ｗ１）は、他の第１延伸部１６ｃの幅（図１中、ｗ２）と異なっていることが好ましい。このような構成により、第１延伸部の第１台座部からの距離に応じて幅を変化させることができ、第１台座電極から注入又は抽出される電流を調整することができる。特に、第１台座部１６ａにより遠い終端部１６ｂｂを含む第１延伸部１６ｂが、第１台座部１６ａにより近い終端部１６ｃｃを含む第１延伸部１６ｃよりも幅が広いことが好ましい。これにより、第１延伸部の長さにかかわらず、第１延伸部に流れる電流を均一にすることができる。
【００１４】
例えば、第１延伸部１６ｂの幅（ｗ１）は、第１延伸部１６ｃの幅（ｗ２）よりも、１〜１００％程度、特に１０〜５０％程度広いことが適当である。具体的には、第１延伸部１６ｂの幅（ｗ１）は、１０〜６０μｍ程度、第１延伸部１６ｃの幅（ｗ２）は、５〜５５μｍ程度が挙げられる。
なお、第１電極１６は、第１導電型半導体層１３上にほぼ全面に形成された透光性の第３電極１５介して第１導電型半導体層１３と電気的に接続されていてもよい。これにより、より効率的に第１導電型半導体層１３全面に、電流を供給することができ、均一な発光を得ることができる。
【００１５】
第２電極１４は、例えば、図１及び図２に示すように、半導体発光素子の内部に、言い換えると、その外周が第１導電型半導体層１３に囲まれて配置されていることが好ましい。つまり、第２電極が、素子端部に配置せず、素子内部に配置していることが好ましい。これにより、第１電極からの面方向への電流の広がりを、第２電極の全周囲からより効率的に抽出することができる。また、第２台座部と第１台座部との距離は、第２台座部と素子外周との距離と等しいか、それよりも大きくなるように配置することが好ましい。これにより、素子外周部においても効率よく電流を注入又は抽出でき、電流の集中を緩和することができる。なお、第２電極１４は、電流の抽出がより効率的に行うことができるとともに、素子の大面積化を可能とする観点から、２以上形成されていることが好ましい。この場合には、各第２電極１４の外周が第１導電型半導体層１３に囲まれて配置されていることが好ましい。
【００１６】
また、第２電極１４は、第２台座部１４ａと、この第２台座部１４ａを基点として延びる第２延伸部１４ｂとを備えてなることが好ましい。特に、第２延伸部１４ｂは、第１延伸部１６ｂ、１６ｃと同方向に延設されていることが好ましい。このような構成により、第２延伸部１４ｂと第１延伸部１６ｂとの対向した領域で、電流が均等に広がりやすくなり、その領域において熱による電極及び素子の破壊を回避することができる。第２延伸部１４ｂは、通常、第２台座部１４ａから、対向する第１電極の第１台座部１６ａに近づくように延伸されていることが好ましい。
【００１７】
第２延伸部１４ｂは、第２台座部１４ａと第１延伸部１６ｂとの最短間隔（図１中、ｘ１）及び第２延伸部１４ｂと第１延伸部１６ｂとの最短間隔（図１中、ｘ２及びｘ３）が同じになるように、第２台座部１４ａの端部から（特に、上述したように第１延伸部１６ｂの延設方向と同じ方向に）、延びていることが好ましい。第１電極１６の第１延伸部１６ｂと第２電極１４の第２延伸部１４ｂとの間隔を近くすることができるために、電流の流れを発光面内で調整することができるとともに、第１延伸部１６ｂと第２延伸部１４ｂとの最短間隔をある程度広い領域で確保することができる。
【００１８】
第１電極１６と第２電極１４とは、通常、例えば、図２のｘ１〜ｘ６に示すように、各部位において、その間隔が異なるように配置されている。図２では、ｘ１〜ｘ３は同じであるが、ｘ４〜ｘ６は、それぞれｘ１〜ｘ３とその間隔が異なっている。この半導体発光素子では、第１電極１６から第２電極１４までの間隔のうち、第２電極１４の第２延伸部１４ｂが、第１台座部１６ａにより遠い終端部１６ｂｂを含む第１延伸部１６ｂに対して最短間隔を有して配置されていることが好ましい（ｘ１からｘ３にかけての領域参照）。このような構成とすることにより、第１台座電極１６ａからより離れた第１延伸部１６ｂと、第２延伸部１４ｂとの間隔を短くすることができ、電流の流れを発光面内で調整することができる。また、発光が他と比べて暗くなる領域をなくし、均一な発光を得ることができる。
【００１９】
第１電極１６と第２電極１４との位置関係において、第１延伸部１６ｂと第２延伸部１４ｂとが最短間隔となり、このように最短間隔となる部位が、点単位でなく、線単位（特に、直線単位）で、つまり複数配置されていることが好ましい。例えば、第１電極１６の第１延伸部１６ｂと、第２電極１４の所定の部位とが、直線単位で最短間隔となるように配置されていることが好ましい。これにより、発光ムラを最小限に止めることができるとともに、電極及び素子の破壊を防止することができる。
例えば、図２において、ｘ１〜ｘ３は４０〜１００μｍ程度、ｘ４は４０〜１００μｍ程度、ｘ５は４０〜１００μｍ程度、ｘ６は６０〜１００μｍ程度とすることができる。
【００２０】
このような構成により、電極及び素子の破壊を有効に防止することができる。つまり、従来例（例えば、図１３）では、第１延伸部と第２延伸部とに対応し、両者が最短距離で対向していた領域（図１３中、Ｘ）において、特に第２延伸部での電極破壊が問題となっていたのに対して、本発明では、両者が最短間隔で対向する領域（図２中、Ｙ）において、第１延伸部が、ｐ型半導体層という比較的比抵抗の大きな層に接続された電極であったとしても、ｐ電極（１６）の第１延伸部１６ｂ近傍における電極の破壊及び第１延伸部１６ｂ直下における半導体層での素子の破壊を有効に防止することができる。
【００２１】
なお、本発明の半導体発光素子の別の実施形態としては、第１及び第２導電型半導体層上にそれぞれ第１及び第２電極を備え、第１及び第２電極が同一面側に配置されてなる半導体発光素子であって、前記第１電極は、前記第２電極に対向して、第１台座部と該第１台座部を基点として延びる第１延伸部とを備え、該第１延伸部は、前記対向する第２電極における前記第１台座部から最も遠い端部を越えて素子外周方向に延設されてなるものであってもよい。
【００２２】
このような半導体発光素子においては、第１電極は、第１延伸部を２以上有してなることが好ましく、透光性の第３電極を介して第１導電型半導体層と電気的に接続されてなることが好ましい。第１電極が第１延伸部を２以上有してなる場合には、第１導電型半導体層の全面に渡って、均一に電流を投入することができる。さらに、第１電極が、透光性の第３電極を介して第１導電型半導体層と電気的に接続されてなる場合には、より効率的に第１導電型半導体層全面に、電流を供給することができ、均一な発光を得ることができる。
【００２３】
また、第１延伸部の１つは、他の第１延伸部と、延伸方向に対する幅が異なることが好ましく、第１台座部により遠い終端部を含む第１延伸部は、第１台座部により近い終端部を含む第１延伸部よりも幅が広いことが好ましい。第１延伸部の１つは、他の第１延伸部と、延伸方向に対する幅が異なる場合には、第１延伸部の第１台座部からの距離に応じて幅を変化させることができ、第１台座電極から注入又は抽出される電流を調整することができる。特に、第１台座部により遠い終端部を含む第１延伸部が、第１台座部により近い終端部を含む第１延伸部よりも幅が広い場合には、第１延伸部の長さにかかわらず、第１延伸部に流れる電流を均一にすることができる。
【００２４】
第２電極は、第２台座部と、第１延伸部と同方向に延びる第２延伸部とを備えるか、その外周が第１導電型半導体層に囲まれて配置されるか、２以上形成されてなることが好ましい。第２電極は、第２台座部と、第１延伸部と同方向に延びる第２延伸部とを備える場合には、第２延伸部と第１延伸部との対向した領域で、電流が均等に広がりやすくなり、その領域において熱による電極及び素子の破壊を回避することができる。さらに、第２電極が、その外周が第１導電型半導体層に囲まれて配置される場合には、第１電極からの面方向への電流の広がりを、第２電極の全周囲からより効率的に抽出することができる。また、第２電極が２以上形成されている場合には、電流の抽出がより効率的に行うことができるとともに、素子の大面積化を実現することができる。
【００２５】
第２延伸部は、第２台座部と第１延伸部との最短間隔及び第２延伸部と第１延伸部との最短間隔が同じになるように、第２台座部の端部から延びていることが好ましい。この場合には、第１電極の第１延伸部と第２電極の第２延伸部との間隔を近くすることができるために、電流の流れを発光面内で調整することができるとともに、第１延伸部と第２延伸部との最短間隔をある程度広い領域で確保することができる。
【００２６】
また、第１電極と第２電極とは、第１電極から第２電極までの間隔のうち、第１台座部により遠い終端部を含む第１延伸部から第２延伸部までの間隔が最短となるように配置されてなることが好ましい。これにより、第１台座電極からより離れた第１延伸部と、第２延伸部との間隔を短くすることができ、電流の流れを発光面内で調整することができる。また、発光が他と比べて暗くなる領域をなくし、均一な発光を得ることができる。
【００２７】
さらに、第１延伸部から第２延伸部の最短間隔となるポイントが複数存在するように配置されてなることが好ましい。この場合には、発光ムラを最小限に止めることができるとともに、電極及び素子の破壊を防止することができる。
また、素子の外周領域において、第２導電型半導体層から突出した複数の突部が形成されてなるか、第１導電型半導体層に囲まれた第２電極の外周領域において、第２導電型半導体層から突出した複数の突部が形成されてなることが好ましい。これらの場合には、半導体積層構造の端面から出射した光を、効率よく上面に取り出すことができる。
【００２８】
第１導電型半導体層がｐ型窒化物半導体層、第２導電型半導体層がｎ型窒化物半導体層であることが好ましい。この場合には、一般に比抵抗が大きいｐ型窒化物半導体層においても、半導体層の積層方向のみならず、積層方向に垂直な横方向においても、より電流を広がりやすくすることができ、電流を効率的かつ均一に電流を流すことにより、半導体層及び電極の破壊を回避することができる。
【００２９】
第１及び第２電極、任意に第３電極は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ランタン（Ｌａ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、イットリウム（Ｙ）、これらの酸化物又は窒化物、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3等の透明導電性酸化物からなる群から選択された少なくとも一種を含む金属、合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。膜厚は特に限定されることなく、得ようとする特性を考慮して適宜調整することができる。なお、電極を構成する台座部及び延伸部は必ずしも一体的に、同一材料によって、同時に形成されていなくてもよく、異なる材料及び／又は膜厚を有していてもよい。なお、台座部は、通常、外部電極との接続のために有効に機能するのに必要な膜厚及び面積を有していることが好ましい。
【００３０】
本発明の半導体発光素子を構成する第１及び第２導電型半導体層を形成するための基板は、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等用いることができる。なかでも、サファイア基板が好ましい。絶縁性基板は、最終的に取り除いてもよいし、取り除かなくてもよい。基板上には、第１及び第２導電型半導体層以外に、結晶核形成層、低温成長バッファ層、高温成長層、マスク層、中間層等の５などが下地層として形成されていてもよい。
第１及び第２導電型半導体層において、第１導電型とは、ｐ型又はｎ型を指し、第２導電型とは、第１導電型とは異なる導電型、つまりｎ型又はｐ型を示す。好ましくは、第１導電型半導体層がｐ型半導体層であり、第２導電型半導体層がｎ型半導体層である。
【００３１】
半導体層は、特に限定されるものではなく、ＩｎＡｌＧａＰ系、ＩｎＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、これらの混晶、ＧａＮ系等の窒化物半導体のいずれでもよい。窒化物半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮもしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるIII−Ｖ族窒化物半導体（ＩＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１））が挙げられる。さらに、III族元素として一部又は全部にＢを用いたり、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂで置換した混晶であってもよい。これらの半導体層は、通常、ｎ型、ｐ型のいずれかの不純物がドーピングされている。
【００３２】
半導体層は、単層構造でもよいが、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合又はＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造又はダブルへテロ構造等の積層構造であってもよい。
半導体層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等の公知の技術により形成することができる。半導体層の膜厚は特に限定されるものではなく、種々の膜厚のものを適用することができる。
【００３３】
第２導電型半導体層は、不純物を含有し、電極形成面内及び発光層へのキャリアの供給、拡散を実現するような層構造であることが適当であり、特に電極から発光層に向かってキャリアを面内拡散して供給するために、比較的高濃度ドープされたコンタクト層を有していることが好ましい。さらに、積層方向において発光層へ電荷を移動・供給させる介在層、第２導電型のキャリアを発光層に閉じこめるクラッド層等を有していることが好ましい。発光層とコンタクト層との間に設ける層は、比較的低濃度ドープ量又はアンドープ層及び／又は多層膜層を設けることが好ましい。これにより、その上に成長させるクラッド層及び／又は発光層等の結晶性を良好にし、駆動時には電流の面内拡散を促進させるとともに、耐圧性も向上させることができる。多層膜層は、少なくとも２種の層を交互に積層させたような周期構造、超格子構造で形成することが好ましい。
【００３４】
発光層としては、特に、窒化物半導体においてはＩｎを含む窒化物半導体を発光層に用いたものが、紫外域から可視光（赤色光）の領域において好適な発光効率が得られ好ましい。また、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造等の量子井戸構造であることが好ましい。
第１導電型半導体層としては、キャリアを発光層に閉じこめるクラッド層、電極が形成されるコンタクト層等を有していることが好ましい。窒化物半導体においては、クラッド層としてＡｌを含む窒化物半導体であることが好ましい。また、コンタクト層とクラッド層との間にそれらの層より低不純物濃度の層を介在させてもよい。これにより、静電耐圧の高い素子を構成することができ、コンタクト層を高濃度にドープしても結晶性を改善することができる。
具体的には、例えば、図５に示すように、サファイア基板１０上に、ＧａＮバッファ層１０ａ、ノンドープＧａＮ層１０ｂが積層され、第２導電型半導体層１１として、ｎ型コンタクト層１１ａとなるＳｉドープＧａＮ層、ｎ型クラッド層１１ｂとなるＳｉドープＧａＮ層；活性層１２としてＩｎＧａＮ層；第１導電型半導体層１３として、ｐ型クラッド層１３ａとなるＭｇドープＡｌＧａＮ層、ｐ型コンタクト層１３ｂとなるＭｇドープＧａＮ層が、順次積層された層構造を有する。
【００３５】
（実施の形態２）
本発明の半導体発光素子は、図３に示したように、素子の外周領域において、第２導電型半導体層から突出した複数の突部２９が形成されていてもよい。これにより、半導体積層構造の端面から出射した光を、効率よく上面に取り出すことができる。さらに、図４に示したように、第１導電型半導体層に囲まれた第２電極の外周領域において、第２導電型半導体層から突出した複数の突部２９が形成されていてもよい。これにより、第２電極側の半導体積層構造の端面から出射した光が、第２電極によって遮られることなく、効率よく上面に取り出すことができる。
【００３６】
突部は、その断面形状が、四角形、台形、半円等どのような形状であってもよいが、図５に示すように、台形、つまり、突部２９自体が徐々に細くなる円錐台形状であることが好ましい。この場合の突部の傾斜角は、例えば、３０°〜８０°が挙げられ、４０°〜７０°が好ましい。つまり、突部が先端に向かって徐々に細くなるように傾斜させることにより、発光層からの光を突部表面にて全反射させて、あるいは、第２導電型半導体層１１を導波した光を散乱させ、結果として第１導電型半導体層１３側への光取り出しを効果的に行うことができる。加えて、光の指向性制御がより容易になるとともに、全体としてより均一な光取り出しが可能となる。
【００３７】
突部は、円錐台形状である場合、台形の上辺（第２半導体層側）において、さらに凹部が形成されていてもよい。これにより、第１半導体層内を導波してきた光が突部内部に侵入した際に、突部の頂部に形成された凹部により、第２半導体層側に光が出射されやすくなる。
突部は、半導体層の出射端面とほぼ垂直をなす方向において、２以上、好ましくは３以上、少なくとも部分的に重複して配置されていることが好ましい。これにより、発光層からの光が、高確率で突部に作用させることができるため、上記効果をより容易に得ることができる。
【００３８】
突部の密度は特に限定されるものではなく、１つの半導体発光素子において、少なくとも１００個以上、好ましくは２００個以上、さらに好ましくは３００個以上、より好ましくは５００個以上とすることができる。これにより、上記効果をより向上させることができる。なお、電極形成面側から見て、第２導電型半導体層の露出領域において突部が形成される領域が占める面積の割合は、２０パーセント以上、好ましくは３０パーセント以上、さらに好ましくは４０パーセント以上とすることができる。上限は特に限定されないが、８０パーセント以下とすることが好ましい。また、１つの突部の面積は、突部の根本で、３〜３００μｍ2、好ましくは６〜８０μｍ2、さらに好ましくは１２〜５０μｍ2である。
【００３９】
このように、突部が形成されていることにより、（１）第２導電型半導体層内を導波する光が、突部内部に取り込まれ、突部の頂部又はその途中部分から取り出され、（２）第２導電型半導体層内を導波する光が、突部の根本にて乱反射し、取り出され、（３）発光層端面から側方に出射した光が、複数の突部により反射散乱され、取り出されると考えられ、つまり、横方向（半導体発光素子の側面方向）に出射する光を凹凸によって第１導電型半導体層側に選択的に出射させることができ、これにより、光取り出し効率を、例えば、１０〜２０％程度向上させることができるとともに、光指向性の制御を行うことができ
る。特に、発光層をそれよりも屈折率の低い層で挟んだ構造（所謂、ダブルヘテロ構造）の半導体発光素子においては、これら屈折率の低い層間で光が閉じ込められてしまうために、側面方向への光が主となってしまうが、このような構造の発光素子に対して特に効果的である。さらに、凹凸を複数設けることにより、第１導電型半導体層側の全領域に渡って均一な光取り出しが可能となる。
【００４０】
突部は、露出した第２導電型半導体層上に、半導体層を成長させるなどして、突部を形成するための特別な工程を行ってもよいが、第２導電型半導体層を露出させる際又は各チップに分割するために所定の領域を薄膜化する際などに、その工程を利用して同時に形成することが好ましい。これにより、製造工程の増加を抑えることができる。このように、突部は、半導体発光素子の半導体積層構造と同じ積層構造、つまり、異なる材料の複数層から構成されているために、各層の屈折率の差異により、突部に取り込まれた光が、各層の界面で反射し易くなり、結果として、第１導電型半導体層側への光取り出し向上に寄与
することができると考えられる。
【００４１】
突部は、図５に示すように、半導体発光素子断面において、少なくとも発光層１２とそれに隣接する第２導電型半導体層１１との界面より高ければよいが、発光層１２よりも第１導電型半導体層１３側にその頂部が位置することが好ましく、さらに、第１導電型半導体層１３と実質的に同じ高さであることがより好ましい。つまり、突部２９の頂部が発光層１２よりも高くなるように形成されていることが好ましい。突部を、第１導電型半導体層を含むように構成することにより、それらの頂部が略同じ高さとなるので、後述する第１電極などに遮られることなく、突部の頂部から第１導電型半導体層側に効果的に光を取り出すことができる。突部を第１導電型半導体層、好ましくは第１電極よりも高くなるように構成することにより、より効果的に光を取り出すことができる。また、突部間の凹部は、少なくとも発光層とそれに隣接する第１導電型半導体層との界面より低ければよく、発光層よりも低くなるように形成されていることが好ましい。
【００４２】
（実施の形態３）
この実施の形態の半導体発光素子は、図６に示すように、第１電極（１６）が、第１台座部１６ａ１つのみ、第１延伸部１６ｂ、１６ｃが２つで構成されており、第２電極（１４）が、第２台座部１４ａ及び第２延伸部１４ｂそれぞれ１つずつで構成されている以外、実質的に実施の形態１と同様である。
【００４３】
（実施の形態４）
この実施の形態の半導体発光素子は、図７に示すように、ｐ電極（１６）における第１台座部１６ａが１つのみ、第１延伸部１６ｂ、１６ｃが３つ、ｎ電極（１４）における第２台座部１４ａ及び第２延伸部１４ｂがそれぞれ２つ形成されており、素子外周領域に、突部２９が形成されている以外、実質的に実施の形態１と同様である。
この半導体発光素子では、第１延伸部１６ｂは、第２電極１４における第１台座部１６ａから最も遠い端部１４ａａを越えて、素子外周方向に延設されている。また、第１台座部１６ａにより遠い終端部１６ｂｂを含む第１延伸部１６ｂが、第１台座部１６ａにより近い終端部１６ｃｃを含む第１延伸部１６ｃよりも幅が広い。
【００４４】
第２延伸部１４ｂは、第１延伸部１６ｂ、１６ｃと同方向に延設されており、第２延伸部１４ｂと第１延伸部１６ｂとの最短間隔（図７中、ｘ７）及び第２延伸部１４ｂと第１延伸部１６ｂとの最短間隔（図７中、ｘ８及びｘ９）が同じになるように、第２台座部１４ａの端部から延びている。
第１電極１６と第２電極１４とは、例えば、図７のｘ７〜ｘ１１に示すように、各部位において、その間隔が異なるように配置されている。図７では、ｘ１０、ｘ１１は、それぞれｘ７〜ｘ９とその間隔が異なっており、第１電極１６から第２電極１４までの間隔のうち、第２電極１４の第２延伸部１４ｂが、第１台座部１６ａにより遠い終端部１６ｂｂを含む第１延伸部１６ｂに対して最短間隔を有して配置されている（ｘ８からｘ９にかけての領域参照）。例えば、図２において、ｘ１〜ｘ３は８０μｍ、ｘ４は８５μｍ、ｘ５は８０μｍ、ｘ６は９５μｍとすることができる。
【００４５】
（実施の形態５）
この実施の形態の半導体発光素子は、図８に示すように、第２延伸部１４ｂの先端が垂直方向に屈曲しており、その第２延伸部１４ｂに対向する第１電極（１６）の延伸部１６ｃとの距離（図８中、ｘ１２）もｘ９と同じになっている以外、実施の形態４と同様の構成を有する。
さらに、図7に加えて、ｎ電極（１４）の外周領域に、第２導電型半導体層から突出した複数の突部２９（ｎディンプル）が形成されている。
【００４６】
（実験例１）
図２において、ｘ１〜ｘ３は８０μｍ程度、ｘ４は８５μｍ程度、ｘ５は８０μｍ程度、ｘ６は９５μｍ程度とした素子を形成し、得られた素子について、室温で、ヒートシンクを設置しない中空にて、１．２Ａの大電流を流し、素子の破壊までの時間を調べた。
その結果、図２の素子では７．６秒であった。
一方、比較例として図１３に示した素子（図２の素子と同じチップサイズ）について、同様に大電流を流したところ、素子破壊までの時間は、６．５秒であり、Ｘ部において、延伸部に垂直な方向で２つに割れた。
【００４７】
(実験例２）
図３において、ｘ１〜ｘ３は８０μｍ程度、ｘ４は８５μｍ程度、ｘ５は８０μｍ程度、ｘ６は９５μｍ程度に対応するサイズにした素子を形成し、得られた素子について、順方向電圧の低下と、発光効率の向上との関係を測定した。
その結果、図３の素子では順方向電圧は、３５０ｍＡで３．５２Vであった。また、電流密度は７８．６Ａ／ｃｍ2で１３．３ｌｍ／Ｗと、高電流密度の状態で高い発光効率であった。
一方、実験例１で用いた図１３の素子では、順方向電圧は、３５０ｍＡで、図３の素子と比較して、約４〜５％程度高い値を示した。また、電流密度は７８．６Ａ／ｃｍ2で、図３の素子と比較して、７〜８％程度低かった。
【００４８】
（実験例３）
図４において、ｘ１〜ｘ３は８０μｍ程度、ｘ４は８５μｍ程度、ｘ５は８０μｍ程度、ｘ６は９５μｍ程度に対応するサイズにした素子を形成し、得られた素子について、Ｖｆを測定した。
その結果、図４の素子では、動作後６０秒間では、０．０４４Ｖ程度の順方向電圧の上昇に止めることができ、これは熱による素子劣化に関係があると考えられる。
一方、実験例１で用いた図１３の素子では、動作後６０秒の間に０．１２４Ｖ程度と、図４の素子の約３倍の順方向電圧の上昇が見られた。
【００４９】
（模擬実験例１）
実験例１と同様の図２の素子について、図２のｘ６のみを変えて、電流密度の分布のシミュレーションを行った。その結果を図９〜図１１に示す。
図２に示すような配置の場合、電流密度は、第２電極近傍をピークとして、素子全体にほぼ均等に広がる（図９）。しかし、ｘ６を小さくし、第２電極の第２台座部を素子外周方向へ近づけると、素子外周近傍に電流密度の高い領域が集中する（図１０）。一方、ｘ６を大きくして第２台座部を第１台座部方向へ近づけるに従って、第２電極近傍の電流密度が高くなっていき、さらに、第２台座部と第１台座部との距離が、第２台座部と素子外周との距離のよりも小さくなるように配置すると、素子外周近傍の電流密度が他の部分よりも低くなった（図１１）。
【００５０】
（模擬実験例２）
実験例１と同様の図２の素子について、図２の第１延伸部１６ｂ、１６ｃの長さのみを変えて、シミュレーションを行い、電流密度の分布と電位差を求めた。
第１延伸部の長さは、図２に示す第１延伸部１６ｂ、１６ｃの長さを基準として、５０μｍずつ、２５０μｍまで短くした。基準のときと、基準よりも５０μｍ短いときに、第１延伸部が第２電極の第１台座部から最も遠い端部を越えて素子外周方向に延設されており、基準よりも１００μｍ以上短くしたときには、第１延伸部の終端部が第２電極の端部よりも第１台座部側に配置された。
電位差から予想される順方向電圧を算出したものを、図１２に示す。図１２では、横軸に第１延伸部の長さを基準からの差で示し、縦軸には予想される順方向電圧を同じく基準からの差で示している。図１２に示すように、第１延伸部が短くなるにつれて順方向電圧は増加すると予想されるが、第１延伸部が第２電極を越えて素子外周方向に延設されている５０μｍ程度までは、ほとんど増加しないと考えられる。
また、第１延伸部の終端部が第２電極の端部よりも第１台座部側に配置された場合には、第２電極から第１延伸部の終端部に向かって電流密度が高い領域が集中する傾向があった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、照明用光源、ＬＥＤディスプレイ、携帯電話機等のバックライト光源、信号機、照明式スイッチ、車載用ストップランプ、各種センサおよび各種インジケータ等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の半導体発光素子の構造を説明するための概略断面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の構造を説明するための概略平面図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の別の構造を説明するための概略平面図である。
【図４】本発明の半導体発光素子のさらに別の構造を説明するための概略平面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図６】本発明の半導体発光素子のさらに別の構造を説明するための概略平面図である。
【図７】本発明の半導体発光素子のさらに別の構造を説明するための概略平面図である。
【図８】本発明の半導体発光素子のさらに別の構造を説明するための概略平面図である。
【図９】模擬実験例１の半導体発光素子の電流密度の分布を示す図である。
【図１０】模擬実験例１の半導体発光素子の電流密度の分布を示す図である。
【図１１】模擬実験例１の半導体発光素子の電流密度の分布を示す図である。
【図１２】模擬実験例２の半導体発光素子の第１延伸部の長さと予想される順方向電圧の関係を示すグラフである。
【図１３】従来の半導体発光素子の構造を説明するための概略平面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  サファイア基板
１０ａ  ＧａＮバッファ層
１０ｂ  ノンドープＧａＮ層
１１  第２導電型半導体層
１１ａ  ｎ型コンタクト層
１１ｂ  ｎ型クラッド層
１２  発光層
１３  第１導電型半導体層
１３ａ  ｐ型クラッド層
１３ｂ  ｐ型コンタクト層
１４  第２電極
１５  第３電極
１６  第１電極
１６ａ  第１台座部
１６ｂ、１６ｃ  第１延伸部
１４ａａ  端部
１６ｂｂ、１６ｃｃ  終端部
２９  突部 
【図１】
2008016809.tif 000003
【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】
2008016809.tif 000009
【図８】
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【図９】
2008016809.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2008016809.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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