(57)【要約】【課題】  活性層が効率よく発光できるとともに、活性層において発生した光を効率よく取り出すことができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】  発光ダイオード１は、光を透過する窒化物からなる基板３と、基板３の主面３ａ上に順に積層されたｎ型バッファ層５、ｎ型クラッド層７、活性層９、ｐ型クラッド層１１、及びｐ型コンタクト層１３とを備える。また、発光ダイオード１は、基板３の裏面３ｂ上に設けられた複数のカソード電極２３と、裏面３ｂ上及びカソード電極２３上に設けられた光透過性の導電層１９を備える。カソード電極２３が複数設けられることにより、活性層９に駆動電流を均一に流すことができる。また、導電層１９によって、複数のカソード電極２３の電気的接続が容易になるとともに、活性層９からの光Ｌ１を好適に取り出すことができる。【選択図】  図１
2005166840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなる第１導電型半導体層と、
窒化物半導体からなり、前記第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、
窒化物半導体からなり、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、
前記第１導電型半導体層における前記第２導電型半導体層と対向する面とは反対側の面上に設けられた複数の第１の電極と、
前記第２導電型半導体層上に設けられた第２の電極と、
前記第１導電型半導体層上及び前記第１の電極上に設けられ、導電性を有するとともに前記活性層において発生する光を透過する導電層と、
を備える、半導体発光素子。
【請求項２】
１個の前記第１の電極に対して４個または６個の前記第１の電極が隣り合うように前記複数の第１の電極が規則的に配置されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
互いに隣り合う前記第１の電極同士の間隔が２．４ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
窒化物半導体からなる第１導電型半導体層と、
窒化物半導体からなり、前記第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、
窒化物半導体からなり、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、
複数の開口を有し、前記第１導電型半導体層における前記第２導電型半導体層と対向する面とは反対側の面上に設けられた第１の電極と、
前記第２導電型半導体層上に設けられた第２の電極と、
前記第１導電型半導体層上及び前記第１の電極上に設けられ、導電性を有するとともに前記活性層において発生する光を透過する導電層と、
を備える、半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の電極が格子状のパターンを有する、請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１の電極の単位格子の一辺の長さが２．４ｍｍ以下である、請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１の電極が、前記第１導電型半導体層上において一様に分布している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１導電型半導体層上において前記第１の電極が存在しない部分の何処においても前記第１の電極までの距離が１．２ｍｍ以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層の各々がＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）またはＩｎＹ１Ｇａ１−Ｙ１Ｎ（０≦Ｙ１＜１）を含み、
前記活性層が、ＡｌＸ２ＩｎＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（０≦Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１、０≦Ｘ２＋Ｙ２＜１）を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
ＧａＮ系化合物からなる基板をさらに備え、
前記第１導電型半導体層が前記基板の主面上に設けられており、
前記第１の電極が前記基板の裏面上に設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記基板の比抵抗率が０．５Ωｃｍ以下である、請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記第１の電極と前記基板との間の接触抵抗率が１×１０−４Ωｃｍ２以下である、請求項１０または１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記導電層が金属酸化物を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記導電層が、前記金属酸化物としてＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯのうち少なくとも１種類を含む、請求項１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記導電層の光透過率が、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲にわたって７０％以上である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
厚さ方向と交差する前記第１の電極の面積の総和が、前記基板の前記裏面の面積の３０％以下である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
厚さ方向と交差する前記第１の電極の面積の総和が、前記基板の前記裏面の面積の０．１％以上である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記第１の電極が、Ｔｉ及びＡｌからなる積層構造、Ｔｉ及びＳｉからなる積層構造、Ｔｉ及びＧｅからなる積層構造、並びにＡｌからなる単層構造のうちいずれかの構造を含む、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記導電層上の周辺部に設けられた電極パッドをさらに備える、請求項１〜１８のいずれか一項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、窒化物系半導体を用いた半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、青色ＬＥＤや紫外ＬＥＤといった短波長のＬＥＤが盛んに開発され、実用化されている。これらのＬＥＤに使用する半導体としては、バンドギャップが比較的大きいＧａＮ系やＳｉＣ系の化合物半導体が用いられている。例えば、或る半導体発光素子は、サファイア基板上に、ＧａＮ系のｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層が順次積層されて構成される。そして、ｐ型半導体層上にアノード電極が設けられるとともに、ｐ型半導体層の一部が除去されて露出したｎ型半導体層上にカソード電極が設けられる。カソード電極をこのように設けるのは、サファイアを導電性にできないためである。このような構成の半導体発光素子は、一般的に配線基板上にフェースダウン実装され、活性層から発した光がサファイア基板を透過して出射する。しかしながら、このような構成の半導体発光素子では、サファイア基板の同一面上にアノード電極及びカソード電極が並んで配置されるので、駆動電流を活性層に効率よく流すことが難しい。
【０００３】
これに対し、特許文献１に開示された青色発光ダイオードでは、アノード電極及びカソード電極が基板を挟んで互いに対向配置されている。この青色発光ダイオードは、導電性のＳｉＣ基板上に形成されたｎ型ＳｉＣエピタキシャル層とｐ型ＳｉＣエピタキシャル層とのｐｎ接合部分におけるキャリアの再結合でもって青色光を発光するものである。この青色発光ダイオードでは、ＳｉＣ基板の裏面上とエピタキシャル層上とにそれぞれ電極が形成されることにより、２つの電極が対向配置されている。なお、本発明の技術分野における他の先行技術としては、特許文献２に開示された窒化ガリウム系発光素子がある。
【特許文献１】特表平５−５０２５４６号公報
【特許文献２】特開２００２−１６３１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された青色発光ダイオードでは、電極が、基板裏面（またはエピタキシャル層上）の中央部分に配置されている。従来より、光を取り出す側の基板面に電極が設けられる場合には、活性層において発生した光を効率よく取り出すために、該電極が、面の中央に配置されるとともに比較的小さく形成される。
【０００５】
しかしながら、このように比較的小さな電極を面の中央に設けた場合、活性層における駆動電流の分布が中心部分に偏ってしまい、効率的に発光することができない。すなわち、活性層において電極から遠い部分では充分な駆動電流が流れず、満足に発光できない。また、電極から近い部分（中心部分）では駆動電流が集中して過度の熱が発生し、発光効率が低下する。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、活性層が効率よく発光できるとともに、活性層において発生した光を効率よく取り出すことができる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】
【０００７】
上記した課題を解決するために、本発明による半導体発光素子は、窒化物半導体からなる第１導電型半導体層と、窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、第１導電型半導体層における第２導電型半導体層と対向する面とは反対側の面上に設けられた複数の第１の電極と、第２導電型半導体層上に設けられた第２の電極と、第１導電型半導体層上及び第１の電極上に設けられ、導電性を有するとともに活性層において発生する光を透過する導電層と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記した半導体発光素子では、第１の電極及び第２の電極が、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層を挟んで互いに対向するように配置されている。そして、第１の電極は複数設けられている。これにより、活性層に対してほぼ均一に駆動電流を流すことが可能になるとともに、複数の第１の電極同士の間隙から光を取り出すことができる。また、活性層からの光を透過する導電層が第１の電極上に設けられることによって、活性層からの光を遮ることなく複数の第１の電極と外部回路との間の電気的接続を実現することができる。従って、上記した半導体発光素子によれば、活性層が効率よく発光できるとともに、光を効率よく取り出すことができる。
【０００９】
また、半導体発光素子は、１個の第１の電極に対して４個または６個の第１の電極が隣り合うように複数の第１の電極が規則的に配置されていることを特徴としてもよい。これにより、活性層に対してさらに均一に駆動電流を流すことができる。また、この場合、半導体発光素子は、互いに隣り合う第１の電極同士の間隔が２．４ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、活性層に対してより一層均一に駆動電流を流すことができる。
【００１０】
また、本発明による半導体発光素子は、窒化物半導体からなる第１導電型半導体層と、窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、窒化物半導体からなり、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に設けられた活性層と、複数の開口を有し、第１導電型半導体層における第２導電型半導体層と対向する面とは反対側の面上に設けられた第１の電極と、第２導電型半導体層上に設けられた第２の電極と、第１導電型半導体層上及び第１の電極上に設けられ、導電性を有するとともに活性層において発生する光を透過する導電層と、備えることを特徴とする。
【００１１】
上記した半導体発光素子では、第１の電極及び第２の電極が、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層を挟んで互いに対向するように配置されている。そして、第１の電極は複数の開口を有している。これにより、活性層に対してほぼ均一に駆動電流を流すことが可能になるとともに、第１の電極の複数の開口から光を取り出すことができる。また、活性層からの光を透過する導電層が第１の電極上に設けられることによって、活性層からの光を遮ることなく複数の第１の電極と外部回路との間の電気的接続を実現することができる。従って、上記した半導体発光素子によれば、活性層が効率よく発光できるとともに、光を効率よく取り出すことができる。
【００１２】
また、半導体発光素子は、第１の電極が格子状のパターンを有することを特徴としてもよい。これにより、活性層に対してさらに均一に駆動電流を流すことができる。また、この場合、半導体発光素子は、第１の電極の単位格子の一辺の長さが２．４ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、活性層に対してより一層均一に駆動電流を流すことができる。
【００１３】
また、半導体発光素子は、第１の電極が、第１導電型半導体層上において一様に分布していることを特徴としてもよい。また、半導体発光素子は、第１導電型半導体層上において第１の電極が存在しない部分の何処においても第１の電極までの距離が１．２ｍｍ以下であることを特徴としてもよい。これらのうち少なくとも一方の構成により、活性層に対してさらに均一に駆動電流を流すことができる。
【００１４】
また、半導体発光素子は、第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層の各々がＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）またはＩｎＹ１Ｇａ１−Ｙ１Ｎ（０≦Ｙ１＜１）を含み、また、半導体発光素子は、活性層が、ＡｌＸ２ＩｎＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（０≦Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１、０≦Ｘ２＋Ｙ２＜１）を含むことを特徴としてもよい。これによって、青色光や紫外光など比較的短波長の光を効率よく発生することができる。
【００１５】
また、半導体発光素子は、ＧａＮ系化合物からなる基板をさらに備え、第１導電型半導体層が基板の主面上に設けられており、第１の電極が基板の裏面上に設けられていることを特徴としてもよい。一般的に、基板は、エピタキシャル成長された半導体層よりも充分に厚い。従って、第１の電極が基板の裏面上に設けられることにより、基板内において駆動電流が拡散し、活性層に流れる駆動電流をより均一にすることができる。また、この場合、基板の比抵抗率が０．５Ωｃｍ以下であることが好ましい。これによって、基板内において駆動電流がより一層拡散し、活性層に流れる駆動電流をさらに均一にすることができる。
【００１６】
また、半導体発光素子は、第１の電極と基板との間の接触抵抗率が１×１０−４Ωｃｍ２以下であることが好ましい。これにより、第１の電極と基板との接触部分における発熱量を低く抑えることができるので、熱による発光効率の低下や消費電力の増大を防ぐことができる。
【００１７】
また、半導体発光素子は、導電層が金属酸化物を含むことを特徴としてもよい。また、この場合、導電層が、金属酸化物としてＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯのうち少なくとも１種類を含むことを特徴としてもよい。これにより、導電性を有するとともに活性層において発生する光を透過する導電層を好適に構成することができる。
【００１８】
また、半導体発光素子は、導電層の光透過率が、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲にわたって７０％以上であることを特徴としてもよい。これにより、活性層において可視光が発生する場合に、該可視光を充分に透過することができる。
【００１９】
また、半導体発光素子は、厚さ方向と交差する第１の電極の面積の総和が、基板の裏面の面積の３０％以下であることを特徴としてもよい。これにより、複数の第１の電極同士の間隙、もしくは第１の電極の複数の開口の面積を充分確保できるので、活性層において発生した光を好適に取り出すことができる。
【００２０】
また、半導体発光素子は、厚さ方向と交差する第１の電極の面積の総和が、基板の裏面の面積の０．１％以上であることを特徴としてもよい。第１の電極の面積の総和が基板裏面の面積の０．１％よりも小さい場合、第１の電極と基板との接触部分の電流密度が著しく大きくなるので駆動電圧が大きくなり、消費電力が増大する。これに対し、上記した半導体発光素子によれば、第１の電極と基板との接触部分の電流密度を低く抑えることができるので、消費電力の増大を防ぐことができる。
【００２１】
また、半導体発光素子は、第１の電極が、Ｔｉ及びＡｌからなる積層構造、Ｔｉ及びＳｉからなる積層構造、Ｔｉ及びＧｅからなる積層構造、並びにＡｌからなる単層構造のうちいずれかの構造を含むことを特徴としてもよい。これによって、第１の電極と基板との間のオーミック接触を好適に実現することができる。
【００２２】
また、半導体発光素子は、導電層上の周辺部に設けられた電極パッドをさらに備えることを特徴としてもよい。本半導体発光素子では、導電層がカソード電極の電気的接続を担うため、外部配線と接続される電極パッドを、導電層上の周辺部に配置することが可能となる。従って、この半導体発光素子によれば、電極パッドによって遮られる光量を抑え、光をより効率よく取り出すことができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による半導体発光素子によれば、活性層が効率よく発光できるとともに、活性層において発生した光を効率よく取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体発光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明による半導体発光素子の第１実施形態として、発光ダイオード１の構成を示す端面図である。なお、本実施形態の発光ダイオード１の形状寸法は、平面形状が例えば一辺８ｍｍ程度の矩形であり、その厚さが例えば２００μｍ程度である。また、本実施形態の発光ダイオード１は、例えば波長４５０ｎｍの青色光を発光する。
【００２６】
図１を参照すると、発光ダイオード１は、基板３を備えている。また、発光ダイオード１は、ｎ型（第１導電型）半導体層６と、ｐ型（第２導電型）半導体層１２と、活性層９とを備えている。ｎ型半導体層６は、ｎ型バッファ層５及びｎ型クラッド層７を含んでいる。ｐ型半導体層１２は、ｐ型クラッド層１１及びｐ型コンタクト層１３を含んでいる。ｎ型バッファ層５、ｎ型クラッド層７、活性層９、ｐ型クラッド層１１、及びｐ型コンタクト層１３は、基板３の主面３ａ上に順にＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長される。また、発光ダイオード１は、カソード電極２３と、アノード電極１７と、導電層１９と、電極パッド２１とを備えている。
【００２７】
基板３は、導電性を有するＧａＮ系化合物からなる。本実施形態では、基板３はＧａＮからなる。基板３は、活性層９において発生する光を透過することができる。基板３の比抵抗率は、０．５Ωｃｍ以下となっている。また、ｎ型バッファ層５は、基板３の主面３ａ上に形成されている。なお、基板３の厚さは、例えば２００μｍである。ｎ型バッファ層５は、ｎ型の不純物がドープされた窒化物半導体からなり、例えば本実施形態ではＳｉがドープされたＧａＮからなる。
【００２８】
ｎ型クラッド層７は、ｎ型の不純物がドープされた窒化物半導体からなる。例えば、本実施形態ではｎ型クラッド層７はＳｉがドープされたＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなる。或いは、ｎ型クラッド層７はＳｉがドープされたＩｎＹ１Ｇａ１−Ｙ１Ｎ（０≦Ｙ１＜１）からなってもよい。ｎ型クラッド層７は、ｎ型バッファ層５上に形成されている。
【００２９】
活性層９は、ｎ型クラッド層７上に形成されており、多重量子井戸構造を有している。ここで、図２は、本実施形態における活性層９の構成を示す断面図である。図２を参照すると、活性層９は、バリア層２９ａ〜２９ｃ並びに井戸層３１ａ及び３１ｂを有している。すなわち、活性層９は、バリア層２９ａ、井戸層３１ａ、バリア層２９ｂ、井戸層３１ｂ、及びバリア層２９ｃが順にｎ型クラッド層７上に積層されることにより構成されている。
【００３０】
バリア層２９ａ〜２９ｃ並びに井戸層３１ａ及び３１ｂは、ＡｌＸ２ＩｎＹ２Ｇａ１−Ｘ２−Ｙ２Ｎ（０≦Ｘ２＜１、０≦Ｙ２＜１、０≦Ｘ２＋Ｙ２＜１）などのＧａＮ系半導体からなる。本実施形態では、バリア層２９ａ〜２９ｃの組成は０＜Ｘ２＜１且つＹ２＝０であり、井戸層３１ａ及び３１ｂの組成は０＜Ｘ２＜１且つ０＜Ｙ２＜１である。バリア層２９ａ〜２９ｃ並びに井戸層３１ａ及び３１ｂの組成は、バリア層２９ａ〜２９ｃのバンドギャップが井戸層３１ａ及び３１ｂよりも大きくなるように調整されている。
【００３１】
ｐ型クラッド層１１は、ｐ型の不純物がドープされた窒化物半導体からなる。例えば、本実施形態ではｐ型クラッド層１１はＭｇがドープされたＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１＜１）からなる。或いは、ｐ型クラッド層１１はＭｇがドープされたＩｎＹ１Ｇａ１−Ｙ１Ｎ（０≦Ｙ１＜１）からなってもよい。ｐ型クラッド層１１は、活性層９上に形成されており、活性層９は、ｎ型クラッド層７とｐ型クラッド層１１との間に設けられることとなる。
【００３２】
ｐ型コンタクト層１３は、ｐ型クラッド層１１とアノード電極１７とを電気的に接続するための層であり、ｐ型の不純物がドープされた窒化物半導体からなる。例えば、本実施形態ではｐ型コンタクト層１３はＭｇがドープされたＧａＮからなる。ｐ型コンタクト層１３は、ｐ型クラッド層１１上に形成されている。
【００３３】
カソード電極２３は、本実施形態における第１の電極である。カソード電極２３は、ｎ型半導体層６におけるｐ型半導体層１２と対向する面６ａとは反対側の面６ｂ上に設けられている。本実施形態では、ｎ型半導体層６の面６ｂには基板３が有り、カソード電極２３は、基板３の裏面３ｂ上に設けられている。
【００３４】
ここで、図３は、発光ダイオード１を基板３の裏面３ｂ側から見た図である。図３に示すとおり、複数のカソード電極２３は、基板３の裏面３ｂ上（ｎ型半導体層６の面６ｂ上）において一様に分布している。ここで、「一様に分布する」とは、或る形状が規則的・周期的に配列されているような状態をいう。また、カソード電極２３は、１個のカソード電極２３に対して４個または６個（本実施形態では６個）のカソード電極２３が隣り合うように規則的に配置されている。
【００３５】
複数のカソード電極２３同士の間隔は、２．４ｍｍ以下となっている。換言すれば、基板３の裏面３ｂ上の何処においてもカソード電極２３までの距離が１．２ｍｍ以下となっている。本実施形態では、複数のカソード電極２３同士の間隔は１．０ｍｍである。また、カソード電極２３の径は１００μｍ以下（本実施形態では５０μｍ）である。また、カソード電極２３は、発光ダイオード１の厚さ方向と交差するカソード電極２３の面積の総和が基板３の裏面３ｂの面積の０．１％以上３０％以下（本実施形態では、０．２％）となるように形成されている。
【００３６】
また、カソード電極２３と基板３との間の接触抵抗率は１×１０−４Ωｃｍ２以下となっている。すなわち、発光ダイオード１を製造する際に、カソード電極２３と基板３の裏面３ｂとが接した状態で加熱処理を行うことにより、カソード電極２３と基板３の裏面３ｂとのオーミック接触を実現する。これにより、所望の接触抵抗率を得ることが可能となる。
【００３７】
また、カソード電極２３と基板３とのオーミック接触を好適に実現するために、カソード電極２３が、Ｔｉ及びＡｌからなる積層構造、Ｔｉ及びＳｉからなる積層構造、Ｔｉ及びＧｅからなる積層構造、並びにＡｌからなる単層構造のうちいずれかの構造を含むことが好ましい。本実施形態では、カソード電極２３はＴｉ及びＡｌからなる積層構造となっている。
【００３８】
導電層１９は、複数のカソード電極２３のそれぞれに駆動電流（駆動電圧）を供給するための層である。導電層１９は、導電性を有するとともに、活性層９において発生する光Ｌ１を透過することが可能な金属酸化物といった材料からなる。金属酸化物としては、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯのうち少なくとも１種類が含まれる。本実施形態では、導電層１９はＩＴＯからなる。なお、本実施形態のように活性層９において可視光が発生する場合には、導電層１９の光透過率は、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲にわたって７０％以上であることが好ましい。また、導電層１９の屈折率が基板３の屈折率よりも小さくなるように、導電層１９及び基板３それぞれの材料が選択されることが好ましい。
【００３９】
電極パッド２１は、発光ダイオード１の外部配線と導電層１９との間の電気的接続を容易にするためのものである。電極パッド２１は、導電層１９上の周辺部（本実施形態では、四隅）に設けられている。電極パッド２１は、例えばボンディングワイヤなどによって外部配線と電気的に接続される。
【００４０】
再び図１を参照すると、アノード電極１７は、ｐ型コンタクト層１３上に設けられている。アノード電極１７は、本実施形態における第２の電極である。本実施形態では、アノード電極１７はｐ型コンタクト層１３上の全面に均一に設けられており、アノード電極１７とｐ型コンタクト層１３との間はオーミック接触となっている。
【００４１】
上記した構成を備える発光ダイオード１の動作は、以下のとおりである。アノード電極１７と電極パッド２１との間に発光ダイオード１の外部から駆動電圧が印加されると、該駆動電圧は、導電層１９を介して複数のカソード電極２３のそれぞれに印加される。そして、アノード電極１７と複数のカソード電極２３との間に電界が発生する。そして、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層１２において発生したキャリアが活性層９内の井戸層３１ａ、３１ｂに集中する。これにより、活性層９において光Ｌ１が発生する。活性層９において発生した光Ｌ１は、基板３及び導電層１９を透過して発光ダイオード１の外部へ出射される。
【００４２】
また、カソード電極２３の形成方法は以下のとおりである。まず、基板３の裏面３ｂ上に、蒸着またはスパッタ法によりＴｉ層を形成する。そして、リフトオフ法またはエッチングによりＴｉ層を複数に分割されたパターンに形成する。続いて、４００℃以上の温度で熱処理を行い、Ｔｉ層と基板３との間にオーミック接触を形成する。続いて、蒸着またはスパッタ法によりＴｉ層上にＡｌ層を形成する。こうして、Ｔｉ／Ａｌからなる複数のカソード電極２３が形成される。
【００４３】
上記した本実施形態による発光ダイオード１は、次の効果を有する。すなわち、本実施形態による発光ダイオード１では、カソード電極２３及びアノード電極１７が、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層１２を挟んで互いに対向するように配置されている。また、本実施形態による発光ダイオード１では、カソード電極２３が複数設けられている。
【００４４】
ここで、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、比較例として、活性層内の駆動電流の分布を説明するための図である。図４（ａ）は、基板３４の裏面３４ｂ上に設けられたカソード電極３３を示している。カソード電極３３は、裏面３４ｂの中央に１つだけ設けられている。なお、基板３の形状は８ｍｍ角の矩形とし、基板３の厚さは２００μｍとする。また、カソード電極３３の径は２００μｍ（すなわち、被覆率０．３％）とする。
【００４５】
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したカソード電極３３による活性層３９内の駆動電流の分布を示す図である。なお、図４（ｂ）では、カソード電極３３の直下における駆動電流量を１とした場合の、活性層３９における駆動電流の分布を示している。図４（ｂ）を参照すると、活性層３９の中心部分に駆動電流が集中し、活性層３９の周辺部分には駆動電流が充分に流れていないことがわかる。このように、カソード電極が中心部分に１個のみ配置された半導体発光素子では、活性層３９内の駆動電流が偏ってしまい、発光効率が抑えられてしまう。
【００４６】
これに対し、本実施形態の発光ダイオード１では、カソード電極２３が複数設けられている。従って、活性層９に対してほぼ均一に駆動電流を流すことが可能になる。また、複数のカソード電極２３同士の間隙から光Ｌ１を取り出すことができる。
【００４７】
また、従来の半導体発光素子では、カソード電極における電極不良が素子不良に直結する。特に、大きな駆動電流が流れる場合には、発熱等を抑えるために接触抵抗を小さくすることが必要になるので、電極不良の影響がより大きくなる。これに対し、本実施形態の発光ダイオード１では、カソード電極２３上及び基板３の裏面３ｂ上に導電層１９が設けられているので、カソード電極２３が破壊されても、導電層１９から基板３へ駆動電流を直接供給することができる。従って、本実施形態の発光ダイオード１によれば、素子の信頼性を高めることができる。
【００４８】
また、本実施形態による発光ダイオード１では、活性層９からの光Ｌ１を透過する導電層１９がカソード電極２３上に設けられている。複数のカソード電極のそれぞれを外部回路と個別に接続した場合には、接続手段（例えばワイヤなど）が多く必要となり、この接続手段によって光が遮られてしまう。これに対し、本実施形態のような導電層１９を備えることにより、活性層９からの光Ｌ１を遮ることなく複数のカソード電極２３と外部回路との電気的接続を実現することができる。従って、本実施形態の発光ダイオード１によれば、活性層９が効率よく光Ｌ１を発光できるとともに、基板３及び導電層１９を介して光Ｌ１を効率よく取り出すことができる。また、導電層１９は、カソード電極２３上及び基板３の裏面３ｂ上の全面に形成されていることが好ましい。導電層１９と基板３とは、オーミック結合（カソード電極２３と基板３とのオーミック結合よりは弱く、例えば、接触抵抗率１×１０−３程度）するので、導電層１９が基板３の裏面３ｂ上の全面に形成されることにより、活性層９に対してより均一に駆動電流を流すことができる。
【００４９】
また、本実施形態による発光ダイオード１では、１個のカソード電極２３に対して４個または６個のカソード電極２３が隣り合うように、複数のカソード電極２３が規則的に配置されている。複数のカソード電極２３はこのように配置されることが好ましく、これにより、活性層９に対してさらに均一に駆動電流を流すことができる。また、発光ダイオード１においては、互いに隣り合うカソード電極２３同士の間隔が２．４ｍｍ以下（すなわち、ｎ型半導体層６上においてカソード電極２３が存在しない部分の何処においてもカソード電極２３までの距離が１．２ｍｍ以下）であることが好ましい。
【００５０】
ここで、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、カソード電極２３からの距離に応じた、活性層９における電流密度の解析結果を説明するための図である。図５（ａ）は、解析条件となるカソード電極２３の形状及び配置を示している。なお、この解析においては、基板３の厚さを２００μｍ、２つのカソード電極２３の径を５０μｍ、カソード電極２３同士の間隔（図５（ａ）における間隔ａ１）を２．４ｍｍとした。
【００５１】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した解析条件での解析結果を示す図である。図５（ｂ）では、カソード電極２３の直下における電流量を１とした場合の、活性層９における電流分布を示している。図５（ｂ）を参照すると、カソード電極２３同士の間隔ａ１が２．４ｍｍ以内である場合には、双方のカソード電極２３から等しい距離ａ２の位置（図中Ａ）において電流量が０．９以上となり、カソード電極２３の直下における電流量に近いことがわかる。すなわち、カソード電極２３同士の間隔が２．４ｍｍ以下、換言すれば基板３の裏面３ｂ上の何処においてもカソード電極２３までの距離が１．２ｍｍ以下であれば、活性層９内の駆動電流の分布をほぼ均一にすることができる。従って、本実施形態の発光ダイオード１によれば、活性層９に対してより一層均一に駆動電流を流すことができる。また、活性層９において駆動電流が一部分に集中しないので、より大きな駆動電流を流すことができ、より大きな発光量を得ることができる。
【００５２】
また、本実施形態による発光ダイオード１では、カソード電極２３が、ｎ型半導体層６上（本実施形態では、基板３の裏面３ｂ上）において一様に分布している。これによｄり、活性層９に対してさらに均一に駆動電流を流すことができる。
【００５３】
また、本実施形態による発光ダイオード１では、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層１２が、それぞれＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１ＮまたはＩｎＹ１Ｇａ１−Ｙ１Ｎからなるｎ型クラッド層７及びｐ型クラッド層１１を有している。また、活性層９が、ＧａＮ、ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ、ＩｎＹ２Ｇａ１−Ｙ２Ｎ、及びＡｌＸ３ＩｎＹ３Ｇａ１−Ｘ３−Ｙ３Ｎのうち少なくとも一種類の半導体材料からなるバリア層２９ａ〜２９ｃ並びに井戸層３１ａ及び３１ｂを有している。これにより、青色光や紫外光など比較的短波長の光を効率よく発生することができる。
【００５４】
また、本実施形態による発光ダイオード１は、ＧａＮ系化合物からなる基板３を備えている。そして、ｎ型半導体層６が基板３の主面３ａ上に設けられており、カソード電極２３が基板３の裏面３ｂ上に設けられている。一般的に、基板３は、エピタキシャル成長された半導体層（すなわち、ｎ型半導体層６、活性層９、及びｐ型半導体層１２）よりも充分に厚い。従って、カソード電極２３が基板３の裏面３ｂ上に設けられることにより、基板３内において駆動電流が拡散し、活性層９に流れる駆動電流をより均一にすることができる。
【００５５】
また、本実施形態による発光ダイオード１では、基板３の比抵抗率が０．５Ωｃｍ以下となっている。基板３はこのような比抵抗率を有することが好ましく、これによって、基板３内において駆動電流がより一層拡散し、活性層９に流れる駆動電流をさらに均一にすることができる。
【００５６】
また、本実施形態による発光ダイオード１では、カソード電極２３と基板３との間の接触抵抗率が１×１０−４Ωｃｍ２以下となっている。カソード電極２３と基板３とはこのような接触抵抗率を有することが好ましく、これにより、カソード電極２３と基板３との接触部分における発熱量を低く抑えることができるので、熱による発光効率の低下や消費電力の増大を防ぐことができる。
【００５７】
また、発光ダイオード１では、本実施形態のように、導電層１９がＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯといった金属酸化物を含むことが好ましい。これにより、導電性を有するとともに光Ｌ１を透過する導電層１９を好適に構成することができる。
【００５８】
また、発光ダイオード１では、本実施形態のように、導電層１９の光透過率が、３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長範囲にわたって７０％以上であることが好ましい。これにより、光Ｌ１が青色光といった可視光である場合に、該可視光を充分に透過することができる。
【００５９】
また、本実施形態による発光ダイオード１では、複数のカソード電極２３の面積の総和が、基板３の裏面３ｂの面積の３０％以下となっている。これにより、光Ｌ１が通過する複数のカソード電極２３同士の間隙の面積を充分確保できるので、光Ｌ１を好適に取り出すことができる。
【００６０】
また、本実施形態による発光ダイオード１では、複数のカソード電極２３の面積の総和が、基板３の裏面３ｂの面積の０．１％以上となっている。ここで、図６は、駆動電流が１００ｍＡと２０ｍＡの各場合における、複数のカソード電極２３の面積の総和が基板３の裏面３ｂの面積に占める割合（被覆率）と駆動電圧との相関を示すグラフである。なお、図６において、グラフＧ１は駆動電流が１００ｍＡである場合を示し、グラフＧ２は駆動電流が２０ｍＡである場合を示している。また、これらのグラフＧ１及びＧ２は、発光ダイオードの平面寸法が４００μｍであり、厚さが２０μｍである場合のグラフである。図６に示すように、被覆率が０．１％以下になると、グラフＧ１、Ｇ２ともに駆動電圧が急激に増大している。これは、被覆率が小さいと、カソード電極２３と基板３との間の電流密度が増大するためと考えられる。従って、被覆率が小さいと、発光ダイオード１における消費電力が急激に増大することとなる。これに対し、本実施形態の発光ダイオード１によれば、被覆率を０．１％以上とすることにより、カソード電極２３と基板３との接触部分の電流密度を低く抑えることができるので、消費電力の増大を防ぐことができる。
【００６１】
また、本実施形態による発光ダイオード１では、導電層１９上の周辺部に電極パッド２１が設けられている。発光ダイオード１では、導電層１９がカソード電極２３の電気的接続を担うため、外部配線と接続される電極パッド２１を、導電層１９上の四隅といった周辺部に配置することが可能となる。従って、本実施形態による発光ダイオード１によれば、電極パッド２１によって遮られる光量を抑え、光Ｌ１をより効率よく取り出すことができる。
【００６２】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明による半導体発光素子の第２実施形態として、発光ダイオード１ａの層構造を示す端面図である。また、図８は、図７に示した発光ダイオード１ａをバッファ層２５の裏面２５ｂ側から見た図であり、導電層１９、電極パッド２１、及びカソード電極２３が示されている。本実施形態の発光ダイオード１ａが上記した第１実施形態の発光ダイオード１と異なる点は、基板３の有無、及び複数のカソード電極２３の配置である。
【００６３】
図７を参照すると、本実施形態の発光ダイオード１ａは、第１実施形態における基板３のかわりにｎ型のＧａＮ系半導体からなるバッファ層２５を備えている。このような発光ダイオード１ａは、例えばサファイア基板上にＧａＮ系半導体からなるバッファ層２５、ｎ型半導体層６、活性層９、及びｐ型半導体層１２を積層し、サファイア基板からこれらの層を剥がすことによって形成される。カソード電極２３は、バッファ層２５の裏面２５ｂ上に形成される。なお、本実施形態の発光ダイオード１ａの形状寸法は、バッファ層２５の平面形状が例えば一辺４００μｍ程度の矩形であり、その厚さが例えば２０μｍ程度である。
【００６４】
また、図８を参照すると、本実施形態による発光ダイオード１ａでは、複数のカソード電極２３が、バッファ層２５の裏面２５ｂ上にそれぞれ規則的に配置されている。なお、本実施形態では、カソード電極２３の径は例えば１０μｍであり、カソード電極２３同士の間隔は、例えば１００μｍ（従って、被覆率０．７％）である。
【００６５】
本実施形態の発光ダイオード１ａによれば、上記した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本発明は、本実施形態のように基板３を備えない発光ダイオード１ａに対しても好適に適用することができる。
【００６６】
（第３の実施の形態）
図９は、本発明による半導体発光素子の第３実施形態として、発光ダイオード１ｂを示す図である。なお、図９は、発光ダイオード１ｂを基板３の裏面３ｂ側から見た図であり、導電層１９、電極パッド２１、及びカソード電極２３が示されている。本実施形態の発光ダイオード１ｂが上記した第１実施形態の発光ダイオード１と異なる点は、発光ダイオード１がカソード電極２３を複数備えているのに対し、本実施形態の発光ダイオード１ｂはカソード電極１５を１つのみ備えている点である。発光ダイオード１ｂにおけるカソード電極１５以外の構成については、第１実施形態の発光ダイオード１の構成と同様なので、詳細な説明を省略する。
【００６７】
図９を参照すると、カソード電極１５は、基板３の裏面３ｂ上において一様に設けられている。また、カソード電極１５は、格子状のパターンを有しており、その単位格子に相当する複数の開口１５ａを有している。また、本実施形態では、カソード電極１５の格子状パターンにおける単位格子すなわち開口１５ａの一辺の長さが、２．４ｍｍ以下となっている。換言すれば、本実施形態では、基板３の裏面３ｂ上の何処においてもカソード電極１５までの距離が１．２ｍｍ以下となっている。また、カソード電極１５における格子枠の太さは、例えば１００μｍ以下である。
【００６８】
なお、本実施形態の発光ダイオード１ｂの形状寸法は、基板３の平面形状が例えば一辺８ｍｍ程度の矩形であり、その厚さが例えば２００μｍ程度である。また、カソード電極１５の格子枠の太さは例えば１０μｍであり、カソード電極１５の単位格子の一辺の長さは例えば２ｍｍ（従って、被覆率１％）である。
【００６９】
本実施形態による発光ダイオード１ｂは、以下の効果を有する。すなわち、本実施形態による発光ダイオード１ｂでは、カソード電極１５及びアノード電極１７が、ｎ型半導体層６及びｐ型半導体層１２を挟んで互いに対向するように配置される。そして、カソード電極１５は複数の開口１５ａを有している。これにより、活性層９に対してほぼ均一に駆動電流を流すことが可能になるとともに、カソード電極１５の複数の開口１５ａから光Ｌ１を取り出すことができる。また、導電層１９を備えることにより、光Ｌ１を遮ることなくカソード電極１５と外部回路との間の電気的接続を実現することができる。従って、本実施形態の発光ダイオード１ｂによれば、第１実施形態の発光ダイオード１と同様に、活性層９が光Ｌ１を効率よく発光できるとともに、基板３及び導電層１９を介して光Ｌ１を効率よく取り出すことができる。
【００７０】
また、本実施形態の発光ダイオード１ｂでは、カソード電極１５が格子状のパターンを有している。これにより、活性層９に対してさらに均一に駆動電流を流すことができる。また、本実施形態の発光ダイオード１ｂでは、カソード電極１５の単位格子（開口１５ａ）の一辺の長さが２．４ｍｍ以下（すなわち、基板３の裏面３ｂ上においてカソード電極１５が存在しない部分の何処においてもカソード電極１５までの距離が１．２ｍｍ以下）となっている。これにより、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して説明したように、活性層に対してより一層均一に駆動電流を流すことができる。
【００７１】
本発明による半導体発光素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、カソード電極の配置及び形状は上記した各実施形態（複数電極の規則的配置、または格子状パターン）以外にも、様々な配置及び形状とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】図１は、本発明による半導体発光素子の第１実施形態として、発光ダイオードの構成を示す端面図である。
【図２】図２は、本実施形態における活性層の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、発光ダイオードを基板の裏面側から見た図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、比較例として、活性層内の駆動電流の分布を説明するための図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、カソード電極からの距離に応じた、活性層における電流密度の解析結果を説明するための図である。
【図６】図６は、駆動電流が１００ｍＡと２０ｍＡの各場合における、被覆率と駆動電圧との相関を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明による半導体発光素子の第２実施形態として、発光ダイオードの層構造を示す端面図である。
【図８】図８は、図７に示した発光ダイオードをバッファ層の裏面側から見た図である。
【図９】図９は、本発明による半導体発光素子の第３実施形態として、発光ダイオードを示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１、１ａ、１ｂ…発光ダイオード、３…基板、３ａ…主面、３ｂ…裏面、５…ｎ型バッファ層、６…ｎ型半導体層、７…ｎ型クラッド層、９…活性層、１１…ｐ型クラッド層、１２…ｐ型半導体層、１３…ｐ型コンタクト層、１５、２３…カソード電極、１７…アノード電極、１９…導電層、２１…電極パッド、２５…バッファ層、２９ａ〜２９ｃ…バリア層、３１ａ、３１ｂ…井戸層。
【図１】
2005166840.tif 000003
【図２】
2005166840.tif 000004
【図３】
2005166840.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005166840.tif 000007
【図６】
2005166840.tif 000008
【図７】
2005166840.tif 000009
【図８】
2005166840.tif 000010
【図９】
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