(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に順次に積層されたｎ型化合物半導体層、活性層及びｐ型化合物半導体層と、
前記ｐ型化合物半導体層上に形成されたｐ側電極と、
ｎ型化合物半導体層の上面のうちメサ蝕刻され他の領域より高さの低いメサ蝕刻領域に形成されたｎ側電極と、を含み、
前記ｎ型化合物半導体層には電流集中を防ぐためのトレンチが形成され、
前記トレンチは、前記基板の下面から延長され、前記ｎ型化合物半導体層の深さの一部を通過することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記トレンチが前記ｎ型化合物半導体層を通過する深さは、前記メサ蝕刻された領域に
おける前記ｎ型化合物半導体層の厚さの１／２以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記トレンチが前記ｎ型化合物半導体層を通過する深さは、前記メサ蝕刻された領域における前記ｎ型化合物半導体層の厚さの１／６乃至１／２であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記トレンチ内には絶縁体が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記トレンチは、前記基板の下面から上に延長されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記トレンチは、メサ蝕刻された領域の前記ｎ型化合物半導体層部分へ延長されることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記トレンチは、メサ蝕刻されない領域の前記ｎ型化合物半導体層部分へ延長されることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記トレンチの深さと前記基板の厚さとの差は、前記メサ蝕刻された領域における前記ｎ型化合物半導体層の厚さの１／２以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記トレンチの深さと前記基板の厚さとの差は、前記メサ蝕刻された領域における前記ｎ型化合物半導体層の厚さの１／６乃至１／２であることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｎ型化合物半導体層、活性層及びｐ型化合物半導体層は、窒化物半導体から成り、前記基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項１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するものであって、特に電流拡散特性に優れ動作電圧特性及び素子信頼性が改善された半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（以下、簡単に窒化物半導体と称する）材料を用いたＬＥＤ等の発光素子が青色または緑色波長帯の光を得るための光源として多く使用されている。窒化物半導体は、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する化合物半導体である。窒化物半導体発光素子は、通常サファイア基板上に成長されたｎ型及びｐ型窒化物半導体層を含む。サファイア基板は絶縁体であるため、ｐ側電極及びｎ側電極は基板の同一側上に配置される（水平型構造）。このような水平型（ｌａｔｅｒａｌ）構造の窒化物半導体発光素子では、ｎ側電極に隣接したメサ境界部において電流が集中するという問題が生じる。
【０００３】
図１は、従来の窒化物半導体発光素子の断面図である。図１を参照すると、発光素子５０は、サファイア基板１１上に順次積層されたｎ型ＧａＮ系半導体層１３、活性層１５及びｐ型ＧａＮ系半導体層１７を含む。ｐ型ＧａＮ系半導体層１７上にはｐ側電極（ｐ−ｍｅｔａｌ）２０が配置され、メサ蝕刻によって露出されたｎ型ＧａＮ系半導体層１３の一部上面にはｎ側電極（ｎ−ｍｅｔａｌ）３０が配置されている。このようなメサ構造物を形成するため、ｎ型半導体層１３が露出されるまで数千Å（１万分の数千μｍ）程度の深さ（Ｍ）でメサ蝕刻工程を実施する。
【０００４】
相互水平の位置に配置されたｐ側及びｎ側電極２０、３０に動作電圧を印加すると、ＧａＮ系半導体のｐ−ｎ接合を通じて電流が流れ活性層からの発光が起きる。ところが、発光素子５０に流れる電流の経路を図１のようにＡ，Ｂ及びＣに区分した場合、Ａ経路を通じて相対的に多くの電流が流れＡ経路に電流が集中する。その理由は、Ａ経路はＢまたはＣ経路より低い抵抗を有するからである。即ち、Ａ経路においては抵抗率が低いｐ側電極を通過する距離が他の経路に比べ相対的に大きく抵抗率が高い窒化物半導体層を通過する距離が他の経路に比べ相対的に小さいため、結局より低い抵抗を有するＡ経路に電流の流れが集中する。
【０００５】
このように電流が特定経路（最も短い距離で窒化物半導体層を通過するＡ経路）に集中されると、活性層を全体的に均一に利用することが出来なくなるため、動作電圧の上昇と輝度減少を引き起こすこととなる。また、特定部位において電流が集中すると、その部位で熱が特に多く発生され、素子のＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；静電気放電）特性も悪化する。これによって素子信頼性が悪化する。２個の電極が基板の同一側上に配置されている限り、このような電流集中現象は、窒化物半導体（ＧａＮ系）発光素子だけでなく他の化合物半導体（例えば、ＡｌＧａＡｓ系またはＡｌＧａＩｎＰ系半導体）発光素子においても問題と成り得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、特定経路または部位における電流集中現象が抑えられ電流拡散特性が優秀な半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の技術的課題を達成すべく、本発明による半導体発光素子は、基板上に順次に積層されたｎ型化合物半導体層、活性層及びｐ型化合物半導体層と、上記ｐ型化合物半導体層上に形成されたｐ側電極と、メサ蝕刻された上記ｎ型化合物半導体層の一部上面に形成されたｎ側電極を含む。上記ｎ型化合物半導体層には特定経路への電流集中を防ぐためのトレンチが形成されている。上記トレンチは、メサ蝕刻された上記ｎ型化合物半導体層の一部上面または上記基板の下面から延長され上記ｎ型化合物半導体層の深さ一部を通過する。
【０００８】
好ましくは、上記トレンチが上記ｎ型化合物半導体層を通過する深さは、上記メサ蝕刻された領域における上記ｎ型化合物半導体層の厚さの１／２以下である。さらに好ましくは、上記トレンチが上記ｎ型化合物半導体層を通過する深さは、上記メサ蝕刻された領域における上記ｎ型化合物半導体層の厚さの１／６乃至１／２である。
【０００９】
本発明によると、上記トレンチ内には絶縁体が充填されることも出来る。例えば、上記トレンチ内には絶縁性樹脂または酸化膜が充填されることが出来る。
【００１０】
本発明の一実施形態によると、上記トレンチは上記ｐ側電極と上記ｎ側電極との間に位置し、メサ蝕刻された上記ｎ型化合物半導体層の一部上面から下に延長されることが出来る。この場合、好ましくは上記トレンチの深さは、上記メサ蝕刻された領域における上記ｎ型化合物半導体層の厚さの１／２以下で、さらに好ましくは１／６乃至１／２である。
【００１１】
本発明の他の実施形態によると、上記トレンチは上記基板の下面から上に延長されることが出来る。この場合、上記トレンチはメサ蝕刻された領域の上記ｎ型化合物半導体層部分へ延長されることが出来る。これとは異なり、上記トレンチはメサ蝕刻されていない領域の上記ｎ型化合物半導体層部分へ延長されることが出来る。このようにトレンチが上記基板の下面から上に延長された場合、上記トレンチの深さと上記基板の厚さとの差は、上記メサ蝕刻された領域における上記ｎ型化合物半導体層の厚さの１／２以下で、さらに好ましくは１／６乃至１／２である。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によると、上記ｎ型化合物半導体層、活性層及びｐ型化合物半導体層は窒化物半導体物質から成る。この場合、上記ｐ側電極は透明電極または反射電極であることが出来る。また、上記基板はサファイア基板であることが出来る。
【００１３】
本発明によると、ｎ型化合物半導体層の深さの一部を通過する上記トレンチを具備することにより、化合物半導体層内の特定経路への電流集中現象を防止し電流をより均一に拡散させることが可能となる。これによって、発光効率及び輝度が向上され、動作電圧特性が改善され、素子の信頼性が高くなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、半導体層を通過する電流経路間のバラツキを減少させるトレンチを具備することにより、電流集中現象を防止し電流をより均一に拡散させる。これによって全体的な電流経路のなかで動作時の発光のために機能する実効的な面積が増加され、全体抵抗が低くなり動作電圧が減少される。また、均一な電流の流れによって活性層において電子−正孔再結合面積が増加され、発光効率と輝度が増加される。さらに、電流分散効果によってＥＳＤ特性または熱特性などが改善されることにより、素子信頼性が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明される実施形態で限定されるのではない。本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有しているものに本発明をより完全に説明するため提供される。従って、図面における要素の形状及び大きさ等はより明確な説明のため誇張されることができ、図面上の同一符号で表示される要素は同一要素である。
【００１６】
前述の通り、特に水平型構造を有する窒化物半導体発光素子において電流集中による問題が多く発生しがちなため、本発明は特に窒化物半導体発光素子に適用することが好適である。しかし、本発明の適用範囲が窒化物半導体発光素子に限定されるのではなく、他の化合物半導体材料を使用する水平型半導体発光素子を含む。
【００１７】
図２は、本発明の化合物半導体発光素子の一実施形態による窒化物半導体発光素子を示す断面図である。図２を参照すると、半導体発光素子１００は、サファイア基板１０１上に順次に積層されたいずれも化合物半導体層であるところのｎ型窒化物半導体層１０３、活性層１０５及びｐ型窒化物半導体層１０７を含む。ｐ型窒化物半導体層１０７上にはｐ側電極１２０が形成されている。ｐ側電極１２０は、透明電極または反射電極で形成することが出来る。例えば、光出射面側がｐ側電極１２０の上側である場合には、ｐ側電極１２０は透明電極となる。光出射面側が基板１０１の下側である場合には、ｐ側電極１２０は反射電極となる。メサ蝕刻によって露出されたｎ型窒化物半導体層１０３の一部上面にはｎ側電極１３０が形成されている。
【００１８】
図２に図示された通り、ｎ型窒化物半導体層１０３には電流集中を防ぐためのトレンチ１４０が形成されている。該トレンチ１４０は、ｐ側電極１２０とｎ側電極１３０との間に位置する。また、トレンチ１４０は、メサ蝕刻されたｎ型窒化物半導体層の一部上面から下方に延長されｎ型窒化物半導体層１０３の深さの一部を通過する。トレンチ１４０は、有底溝状或いは有底穴状となるようにｎ型窒化物半導体層１０３を完全に貫通しないことに注意する。好ましくは、該トレンチ１４０の深さ（ｔ）は、上記メサ蝕刻された領域におけるｎ型窒化物半導体層の厚さ（Ｌ）の１／２以下で、さらに好ましくは１／６乃至１／２である。なお、前記深さ（ｔ）は、ｎ型窒化物半導体層１０３の表面から内部に向かっての深さの一部を通過する深さ、或いはｎ型窒化物半導体層１０３表面からトレンチ底面までの凹み深さと定義することができる。
【００１９】
上記電流集中防止用トレンチ１４０は、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等の乾式蝕刻工程を通じて形成することが出来る。即ち、メサ蝕刻によってｎ型窒化物半導体層の一部を露出させた後、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いてメサ蝕刻されたｎ型窒化物半導体層に図２に図示されたようなトレンチ１４０を形成することが出来る。乾式蝕刻以外にも、例えばレーザ加工によって上記トレンチ１４０を形成することも出来る。
【００２０】
このようにｎ型窒化物半導体層１０３にトレンチ１４０を形成することにより、ｎ側電極１３０に隣接したｐ側電極１２０の縁部から窒化物半導体層へ注入される電流の経路（Ａ経路）は長くなる。即ち、トレンチ１４０は、トレンチ１４０の部位と交差される電流経路（例えば、図１に図示されたＡ経路）を遮断させ、発光素子動作時の電流経路を全体的に長くする。これによって、Ａ経路の長さとＢまたはＣ等の他の経路の長さの差は縮まることとなる。窒化物半導体層を通過するＡ，Ｂ及びＣ経路の長さのバラツキが減るため、結果的に電流は一部領域に集中されず素子のｐｎ接合面全体並びに活性層の面全体に広く分散される。即ち、上記トレンチ１４０によってさらに増大された電流拡散特性を得ることとなる。
【００２１】
図３は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図である。図３の窒化物半導体発光素子１００’は、電流集中防止用トレンチ１４０内に絶縁体１４５が充填されている点を除いては前述の実施形態の発光素子１００と同様である。このようにトレンチ１４０内に絶縁体１４５を充填することにより、所望としない回路短絡現象や漏れ電流（ｌｅａｋａｇｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ）を防ぐことが出来る。トレンチ１４０内に充填される絶縁体１４５は、例えば絶縁性樹脂または酸化膜であることが出来る。なお、前記絶縁体１４５の充填の状態は、トレンチ１４０表面を膜状に被覆する形態にしたり、トレンチ１４０容積全体に埋込む形態にすることができる。
【００２２】
図３の実施形態によると、上記トレンチ１４０または上記トレンチ１４０内の絶縁体１４５は、電流集中をひき起こす短い電流経路（図１に図示されたＡ経路参照）を遮断させる。従って、この実施形態においても、電流経路の電流集中が抑えられ電流拡散特性が向上される。
【００２３】
図４は、本発明の他の実施形態による窒化物半導体発光素子である。図４の半導体発光素子２００では、電流集中防止用トレンチ１５０がサファイア基板１０１の下面から上に延長されている。特に、トレンチ１５０はメサ蝕刻された領域のｎ型窒化物半導体層１０３部分へ延長され、その領域のｎ型窒化物半導体層１０３の一部深さを通過する。
【００２４】
この実施形態においても上記トレンチ１５０は、ｎ型窒化物半導体層１０３を完全に貫通しないことに注意する。トレンチ１５０がｎ型窒化物半導体層１０３を通過する深さ（ｔ’）は、メサ蝕刻された領域におけるｎ型窒化物半導体層の厚さ（Ｌ）の１／２以下で、さらに好ましくは１／６乃至１／２である。本実施形態においてトレンチ１５０がｎ型窒化物半導体層１０３を通過する深さ（ｔ’）は、トレンチ１５０の全体深さからサファイア基板１０１の厚さを引いた値と同じである。従って、好ましくは、トレンチ１５０の深さとサファイア基板１０１の厚さとの差は、メサ蝕刻領域におけるｎ型窒化物半導体層１０３の厚さの１／２以下となり、さらに好ましくは１／６乃至１／２である。
【００２５】
このようにサファイア基板１０１の下面からｎ型窒化物半導体層１０３の一部深さまで延長されたトレンチ１５０を形成することにより、窒化物半導体層を通過する電流に係わるＢ経路及びＣ経路が短くなる。これによって、Ａ経路の長さとＢまたはＣ等の他の電流経路の長さとの差は縮まることとなる。窒化物半導体層を通過するＡ，Ｂ及びＣ経路の長さのバラツキが減ることと成るため、結果的に動作時電流は、Ａ経路のような一部領域に集中されず素子全体に分散される。即ち、上記トレンチ１５０によってさらに増大された電流拡散特性が得られる。
【００２６】
図５に図示された窒化物半導体発光素子３００は、図４の発光素子２００の変形例に該当する。図５に図示された通り、サファイア基板１０１の下面から延長された電流集中防止用トレンチ１６０は、メサ蝕刻されていない領域のｎ型窒化物半導体層１０３部分へ延長されることが出来る。この場合にも、トレンチ１６０は、ｎ型窒化物半導体層１０３を完全に貫通しない。その代わり、トレンチ１６０がｎ型窒化物半導体層１０３を通過する深さ、即ちトレンチ１６０の全体深さとサファイア基板１０１の厚さとの差（ｔ’）は、メサ蝕刻された領域のｎ型窒化物半導体層１０３の厚さ（Ｌ）の１／２以下となり、さらに好ましくは、１／６乃至１／２となる。
【００２７】
図５の実施形態でも、トレンチ１６０によって、Ｂ及びＣ経路が短くなり、これによって、Ａ，Ｂ及びＣ経路間のバラツキが縮まる。結局、窒化物半導体層を通過する電流経路の長さのバラツキが縮まるため、動作時電流は一部領域に集中されず素子全体に分散される。即ち、上記トレンチ１６０によってさらに増大された電流拡散特性が得られる。図４及び図５の実施形態においても、回路短絡や漏れ電流を防止するためトレンチ１５０，１６０内に絶縁性樹脂などの絶縁体を充填することも出来る。
【００２８】
以上のように図２乃至図５に示された本発明の各実施形態の半導体発光素子は、いずれも半導体層を通過する電流経路間のバラツキを減少させるトレンチを具備することにより、特定経路への電流集中現象を防止し発光作用に寄与する実効的な電流をより均一に拡散させることができる。そして前記［発明の効果］において述べたとおりの優れた効果を奏することができる。
【００２９】
前述の実施形態では、サファイア基板を有する窒化物半導体発光素子に関して説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、例えばＡｌＧａＡｓ系半導体発光素子またはＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子など他の化合物半導体発光素子にも適用されることが出来る。なお、前記メサ蝕刻されない領域は、ｐ型化合物半導体層や活性層が残存する凸状の領域で、メサ部と称し、前記メサ蝕刻された領域は、そのメサ部分側方に隣接してｎ型化合物半導体層の上層まで除去された窪地の領域で、メサ裾部と称することもできる。
【００３０】
本発明は上述の実施形態及び添付の図面によって限定されず、添付の請求範囲によって定められる。また本発明は、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能ということは当技術分野の通常の知識を有している者には自明である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の一例による半導体発光素子の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による半導体発光素子の断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による半導体発光素子の断面図である。
【図４】本発明のまた異なる実施形態による半導体発光素子の断面図である。
【図５】本発明のまた異なる実施形態による半導体発光素子の断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００，１００’，２００，３００    半導体発光素子
１０１    サファイア基板
１０３    ｎ型化合物（窒化物）半導体層
１０５    活性層
１０７    ｐ型化合物（窒化物）半導体層
１２０    ｐ側電極
１３０    ｎ側電極
１４０，１５０，１６０    トレンチ
１４５    絶縁体
【図１】
0004714122.tif 000002
【図２】
0004714122.tif 000003
【図３】
0004714122.tif 000004
【図４】
0004714122.tif 000005
【図５】
0004714122.tif 000006