(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板と
前記導電性基板上にｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層を順次積層した発光層と、
前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ側電極と、
前記導電性基板上若しくは前記ｎ型半導体層上の領域であって、前記ｐ型半導体層と活性
層が形成されていない領域に形成されたｎ側電極を有し、
前記ｐ側電極と前記ｎ側電極が、前記導電性基板の前記発光層が形成された面側に形成さ
れている半導体発光素子であって、
前記ｎ側電極のオーミック電極と前記ｐ側電極のオーミック電極との間の距離は一定長で
あり、
前記一定長は５０μｍ以上である半導体発光素子。
【請求項２】
前記一定長は８０μｍ以下である請求項１に記載された半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ型電極と前記ｎ型電極との間の通電量は１Ａ以上である請求項１または２のいずれ
かに記載された半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｎ側電極のオーミック電極が、前記ｐ側電極のオーミック電極と相対する領域は一定
の曲率を有する請求項１乃至３のいずれかに記載された半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｎ側電極のオーミック電極は円形状に形成された請求項４に記載された半導体発光素
子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載された半導体発光素子を用いた半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｎ側電極とｐ側電極とが導電性基板の一方の面に配置された半導体発光素子および、それをサブマウント上に配置した半導体発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードやレーザダイオードなどに用いられる半導体発光素子は、サファイアやＧａＮ系の基板上に光を発する発光層を形成することで得られる。発光層は、ｐ型およびｎ型の半導体に光を発する活性層を挟み込んだ構造になっている。
【０００３】
そして活性層は、ｐｎ接合の順電流を利用して発光する。したがって、活性層を平面状に形成した場合、平面状の活性層に均一に電流を供給することが、発光効率を向上させるには必要となる。
【０００４】
平面状の活性層に均一に電流を供給するには、活性層を挟持するｐ型およびｎ型の半導体層にｐ側電極とｎ側電極を取り付ければよい。しかし、活性層からの光を効率よく取り出すためには、上下の半導体層を全て覆いつくす電極を配置したのでは、活性層からの光を取り出せない。
【０００５】
このため、基板の片面にｐ側およびｎ側の２つの電極を配設する場合は、電極の形状に工夫を施したり、一方の電極はＩＴＯといった透明電極で構成したりする。
【０００６】
一例として、特許文献１は、サファイアなどの電気伝導率の低い基板上に比較的面積の広い活性層を形成し、その活性層に均一に電流を供給するために電極をクシ状に配置し、ｐ側電極のどの位置もｎ側電極から所定の距離以下になるように配設した半導体発光素子が開示されている。
【０００７】
ここで、発光層を形成する基板に導電性の基板を用いた場合は、ｐ側およびｎ側の２つの電極を基板の一方に配設しても、基板中を電流が通過するために、ｐ側からｎ側に比較的均一に電流を供給できる。ただし、この場合、ｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層が順に積層されているため、一方の半導体層へ電流を供給する電極は活性層を除去して形成しなければならない。そのため、一方の半導体層への電極は広く、他方の半導体層への電極は面積を小さく形成する。通常はｐ側電極を広く、ｎ側電極を狭く形成する。
【０００８】
このような半導体発光素子の一例として、特許文献２には、ＧａＮ系の導電性基板の一方の面にｐ側電極とｎ側電極を形成した半導体発光素子が開示されている。この半導体発光素子は、基板上にｎ型半導体層、活性層、ｐ型半導体層を順次形成し、ｐ型半導体層の上にｐ側電極が形成され、そしてｐ型半導体層と活性層を除去したｎ型半導体層上にｎ側電極が形成されている。そしてｎ側電極は基板の１箇所の隅だけに形成されている。
【特許文献１】特開２００４−４７９８８号公報
【特許文献２】特開２００７−２６６４２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
すでに説明したように導電性の基板を用いた場合は、基板の片方の面にｐ側電極とｎ側電極を形成しても、ｎ側電極を小さく形成することが出来る。しかし、発光量を多くするために、投入電流を高くすると、電界によるキャリアの偏在や抵抗によるジュール熱によって、ｎ側電極の近傍が発熱し活性層の発光効率が低下してしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するために想到されたものである。すなわち、導電性基板と
前記導電性基板上にｎ型半導体層と活性層とｐ型半導体層を順次積層した発光層と、前記ｐ型半導体層上に形成されたｐ側電極と、前記導電性基板上若しくは前記ｎ型半導体層上の領域であって、前記ｐ型半導体層と活性層が形成されていない領域に形成されたｎ側電極を有し、前記ｐ側電極と前記n側電極が、前記導電性基板の前記発光層が形成された面側に形成されている半導体発光素子であって、前記ｎ側電極のオーミック電極と前記ｐ側電極のオーミック電極との間の距離は一定の範囲である半導体発光素子を提供する。ここでオーミック電極とはｎ側電極とｐ側電極において実質的に電界がかかる部分である。また、一定の範囲とは５０μｍから８０μｍの長さである。
【００１１】
また、このような半導体発光素子をサブマウント上に搭載した半導体発光装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体発光素子は、ｎ側電極のオーミック電極とｐ側電極のオーミック電極との間の距離を所定の長さで一定としたので、電界の集中が生じることがなく、しかも基板表面にも集中しないので、発熱現象が緩和され、大電流を流しても発光効率が低下しないという効果を生む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１（ａ）に半導体発光素子１０の断面図を、図１（ｂ）に電極面方向からの平面図を示す。図1（ａ）は図1（ｂ）の一点鎖線での断面である。図１（ａ）を参照して、半導体発光素子１０は、基板１１、ｎ型半導体層１２、活性層１３、ｐ型半導体層１４、ｎ側電極１６、ｐ側電極１７からなる。ｎ型半導体層１２とｐ型半導体層１４はそれぞれｎ型層、ｐ型層とも呼ぶ。また、ｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４によって発光層１５が形成される。基板１１の発光層のない側の面が射光面３６となる。
【００１４】
基板１１は、発光層を保持する役目を負う。本発明の半導体発光素子では、材質として、導電性の透明基板を用いる。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体などを好適に用いることができる。
【００１５】
また、これらの材料は、発光層を窒化ガリウム系化合物半導体で形成した場合には、屈折率が近いので、基板と発光層との界面での光の屈折が少なくなりより好適である。発光層が酸化亜鉛（ＺｎＯ）を母材とする場合は、基板として酸化亜鉛系化合物半導体を用いるのがよい。
【００１６】
本発明は特に大電流を流した場合のｎ側電極近傍の発熱を緩和させる効果があるため、大電流を流すようなタイプの半導体発光素子に好適に用いられる。したがって、基板１１も大面積のものが好ましい。具体的には１辺が６００μｍ以上の大きさの基板がよい。
【００１７】
発光層１５となるｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４は、基板１１上に順次積層される。材質は特に制限はないが、窒化ガリウム系化合物であれば好ましい。具体的には、それぞれ、ＧａＮのｎ型層１２、ＩｎＧａＮの活性層１３、ＧａＮのｐ型層１４があげられる。なお、ｎ型層１２やｐ型層１４としては、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮ、若しくはこれらを多層に積層した層を用いてもよい。また、ｎ型層１２と、基板１１との間に、ＧａＮやＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮで構成したバッファ層を用いることも可能である。また、例えば、活性層１３は、ＩｎＧａＮやＡｌＩｎＧａＮからなる井戸層とＧａＮやＡｌＧａＮからなる障壁層が交互に積層した多層構造（量子井戸構造）としてもよい。
【００１８】
このように積層したｎ型層１２と活性層１３とｐ型層１４の一部から、活性層１３とｐ型層１４を除去し、ｎ型層１２を露出させる。この露出させたｎ型層１２上に形成されたのが、ｎ側電極１６である。また、ｐ型層１４上に同じくｐ側電極１７が形成される。つまり、活性層１３とｐ型層１４を除去し、ｎ型層１２を露出させることで、発光層とｐ側電極およびｎ側電極は基板に対して同じ側の面に形成することができる。尚、ｎ側電極は、さらにｎ型層１２を除去して露出させた導電性の基板１１上に形成してもよい。
【００１９】
ｐ側電極１７は発光層１５で発した光を射光面３６の側に反射するために反射率の高いＡｇやＡｌ、Ｒｈ等の反射電極を用いるのがよい。この場合、ｐ型層１４とのオーミックコンタクト抵抗を低減するために、反射電極とｐ型層１４の間に、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ等の薄い金属膜や、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の導電性酸化膜からなるコンタクト層を形成するのがよい。また、反射電極の上にはＴｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ等のバリア金属を介してＡｕからなるボンディング用電極を形成するのがよい。
【００２０】
ｎ側電極１６は、射光面に光を反射できるようにｎ型半導体１２若しくは導電性の基板上に接して反射率の高いＡｌを用いるのがよい。一方、ｎ電極１６の表面はボンディング用電極としてＡｕで形成されるのがよい。そこでＡｌの層を形成し、その上にＴｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗなどの元素でバリアメタル層を形成し、その上にＡｕ層を形成するのが好ましい。これらの電極は真空蒸着法、スパッタリング法などによって、形成することができる。
【００２１】
なお、ｐ側電極もｎ側電極もｐ型層、ｎ型層上に複数層形成した場合は、半導体層に接触している部分をオーミック電極と呼ぶ。オーミック電極は、半導体層に接触している電極が１層の場合は電極と同じであり、複数層ある場合は半導体層に直接接触している層をいう。これらの電極は印加された電界が直接作用する部分である。すなわち、これらオーミック電極上に形成された金属層は、オーミック電極ではない。
【００２２】
オーミック電極もｐ型層とｎ型層で区別し、それぞれｐオーミック電極、ｎオーミック電極と呼ぶ。これは、ｎ側電極のオーミック電極またはｐ側電極のオーミック電極と同じ意味である。また、ｐオーミック電極とｎオーミック電極の距離を電極間距離Ｄｐｎ４０とする。
【００２３】
図１（ｂ）は、半導体発光素子１０をｎ側電極とｐ側電極が形成された側から見た平面図である。本発明ではｎオーミック電極とｐオーミック電極間の距離が一定長であるので、ｎ側電極がｐ側電極と相対する部分４１は１／４円弧状に形成されている。一方それに対応するようにｐ側電極がｎ側電極と相対する部分４２は、１／４円弧が欠けた状態に形成されている。このようにすることで電極間距離Ｄｐｎ４０は、どの部分をみても一定の距離となる。
【００２４】
図２には、電極間距離Ｄｐｎと１Ａ通電時の順方向電圧との関係を示す。
【００２５】
なお、図２で示した値は以下のような半導体発光素子から得られたものである。
【００２６】
基板はＧａＮ系の導電性基板で一辺の長さが８００μｍの正方形のものを使用し、基板の厚さは１００μｍとした。ＧａＮ系の発光層を全部で３μｍの厚さで形成した。ｎ側電極はＡｌ膜をオーミック電極とし、Ａｌ／Ｔｉ／Ｗ／Ａｕからなる多層膜、ｐ側電極はＰｔ膜をオーミック電極とし、Ｐｔ／Ａｇ／Ｔｉ／Ｗ／Ａｕでからなる多層膜で形成した。ｎ側電極は、基板のコーナーを中心として半径約４０μｍの円弧状である。
【００２７】
電極間距離Ｄｐｎが離れるに従い順方向電圧は低下し、５０μｍ以上ではほぼ一定値となる。これは、ｎ側電極とｐ側電極の距離が短くなると電界強度が高まり、ｎ側電極からｐ側電極に流れる電流が導電性基板の上側（発光層形成側）に集中するようになるため、電気抵抗が増大し、順方向電圧が上昇したものと考えられる。
【００２８】
図３には、電極間距離Ｄｐｎと１Ａ通電時の発光出力との関係を示す。電極間距離が長くなるに従い、発光出力は増大しほぼ５０μｍ以上では一定値を示す。これは素子の電気抵抗あるいは順方向電圧の挙動に伴い、ｎ側電極とｐ側電極の距離が短くなると発熱が増加して発光出力が低下するものと考えられる。
【００２９】
以上のことより、電極間距離は長くする事でキャリアの通過路を導電性基板の断面積全体を使うことができ、その結果電気抵抗を下げるため発熱を抑制する効果がある。しかし、電極間距離が長い場合は、発光層の面積が少なくなるため、発光量は減少すると考えられる。図３では、８０μｍ程度までは１Ａ通電時の発光出力は一定であるので、少なくとも電極間距離Ｄｐｎが８０μｍまでは発光出力を減少させることなくｎ側電極とｐ側電極を離すことができることを示している。
【００３０】
なお、本発明はｎ側電極とｐ側電極の距離を一定の範囲とすることで発光効率を高めることを目的としている。したがって、図２や図３に示す結果から導かれる一定の範囲外の部分があったとしても、上記の効果を奏することが出来る限りにおいて「一定の範囲」を逸脱するものではない。例えば、ｎ側電極とｐ側電極間のわずかな部分で上記「一定の範囲」外の部分があったとしても本発明の技術的範囲を逸脱するものではない。
【００３１】
なお、導電性基板の厚さが５０μｍ程度より薄いと、ｎ側電極とｐ側電極の距離に係わらず電流の通過断面積が狭くなるため、電気抵抗が増大し、発光出力が低下する。したがって、導電性基板は５０μｍ程度より厚いことが望ましい。
【００３２】
また、半導体発光素子の一辺の長さが６００μｍ以上の場合で、図２および図３で示した結果とほぼ同様の傾向を示した。
【００３３】
次に本発明の半導体発光素子のｎ側電極の形成の他のバリエーションを例示するが、本発明の半導体発光素子はこれらに限定されるものではない。
【００３４】
図４は、ｎオーミック電極をｎ型層に円弧状に形成した半導体発光素子９を示す。図４（ａ）は断面図であり、図４（ｂ）は、電極が形成された側から見た平面図である。なお、図４（ａ）は、図４（ｂ）の一点鎖線の断面図である。
【００３５】
図４のように、ｎオーミック電極を円弧状に形成し、ｐオーミック電極も対応してｎオーミック電極を囲むように円弧状に形成することで、ｎオーミック電極とｐオーミック電極間の電極間距離Ｄｐｎは一定に保つことができる。この距離を５０μｍ〜８０μｍとすることで、発熱を抑え、発光効率の高い半導体発光素子を得ることができる。
【００３６】
なお、図４ではｎオーミック電極はｎ型層の中央に形成した場合を示したが、形成場所はこれに限定されるわけではなく、図４の関係が維持される場所であれば、ｎ型層上のどこでもかまわない。また、図４で示したｎオーミック電極はｎ型層上に複数あってもかまわない。ただ、ｎオーミック電極を形成した部分は発光層がないので、光らない部分となる。したがってその部分が光らなくても全体として十分光が発せられる程度に周囲に発光層があることが好適である。
【００３７】
図５には、本発明の半導体発光素子１０を用いた半導体発光装置１を例示する。半導体発光装置１は、半導体発光素子１０をサブマウント上に登載した構成である。図５（ａ）は断面図を、（ｂ）は射光面３６側から見た平面図を示す。
【００３８】
サブマウント２１には、引出電極２２、２３が形成される。引出電極は半導体発光素子１０へ電流を印加するための電極である。半導体発光素子のｎ型層の側に接続するｎ側引出電極２２とｐ型層の側に接続されるｐ側引出電極２３がある。
【００３９】
引出電極にはバンプ２４、２５が形成されている。引出電極同様、バンプもｎ型層に接続されるｎ側バンプ２４と、ｐ型層に接続されるｐ側バンプ２５がある。図５ではｐ側バンプは複数あるが、まとめて符号２５で表す。
【００４０】
このバンプによって引出電極と半導体発光素子側の電極が電気的に接続されている。したがって、このバンプは接続手段である。なお、ここでは、バンプは引出電極に形成されていると説明したが、ｎオーミック電極またはｐオーミック電極上に直接メッキで形成したメッキバンプであってもよい。
【００４１】
サブマウント２１は、シリコンツェナーダイオード、シリコンダイオード、シリコン、窒化アルミニウム、アルミナ、その他のセラミック等を用いることができる。
【００４２】
バンプの材料としては、金、金−錫、半田、インジウム合金、導電性ポリマーなどを用いることができるが、特に金や金を主成分とする材料が好ましい。これらの材料を用いて、メッキ法、真空蒸着法、スクリーン印刷法、液滴射出法、ワイヤーバンプ法等を用いて形成することができる。
【００４３】
例えば、ワイヤーバンプ法で金ワイヤーを作製し、その一端をボンダーにてサブマウント上の引出電極に接着した後、ワイヤーを切断することで金バンプを形成する。また、金などの高導電性材料の微粒ナノ粒子を揮発性溶剤に分散した液をインクジェット印刷と同様な手法で印刷し、溶剤を揮発除去してナノ粒子の集合体としてのバンプを形成する液滴射出法を用いることもできる。
【００４４】
図６には本発明の半導体発光素子９を用いた半導体発光装置２を例示する。半導体発光装置２は、半導体発光素子９をサブマウント上に登載した構成である。図６（ａ）は断面図を、（ｂ）は射光面３６側から見た平面図を示す。
【００４５】
半導体発光装置２で用いる半導体発光素子９は、ｎ側電極がｎ型層の中央に形成されているので、ｐ側電極と同一平面状では引出電極を形成することはできない。そこで、ｎ側電極１６は、ｎ側バンプ２４を介してサブマウント２１上の引出電極２２と接続し、スルーホール２６を介して下側電極２８に接続する。
【００４６】
スルーホール２６はサブマウントに穿たれた貫通孔で、内部に銅、アルミニウム、金等の導電材料を含む。下側電極２８は、スルーホールと電気的に接合しており、銅、銀、金などの導電材料で作製される。引出電極は、銅、アルミニウム、金、銀といった導電性の材料を用いる。
【００４７】
したがって、本発明の半導体発光装置２は、引出電極２３と下側電極２８の間に電圧を印加することで照射面３６から発光を得ることができる。
【００４８】
なお、本明細書を通じてＡｌはアルミニウム、Ｎは窒素、Ｏは酸素、Ａｇは銀、Ｒｈはロジウム、Ｐｔは白金、Ｐｄはパラジウム、Ｎｉはニッケル、Ｃｏはコバルト、Ｔｉはチタン、Ｗはタングステン、Ａｕは金、Ｇａはガリウム、Ｉｎはインジウム、Ｚｎは亜鉛を表す。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、基板の一方の面にｎ側電極とｐ側電極を設け、基板の反対の面を射光面とする半導体発光素子およびそれを用いた半導体発光装置に利用する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の半導体発光素子の構成の一例を表す図
【図２】電極間距離と１Ａ通電時の順方向電圧との関係を示す図
【図３】電極間距離と１Ａ通電時の発光出力との関係を示す図
【図４】ｎ側電極の構成の一例を示す図
【図５】本発明の半導体発光装置の構成の一例を示す図
【図６】本発明の半導体発光装置の構成の一例を示す図
【符号の説明】
【００５１】
１  半導体発光装置
１０  半導体発光素子
１２  ｎ型半導体層，ｎ型層
１３  活性層
１４  ｐ型半導体層，ｐ型層
１６  ｎ側電極
１７  ｐ側電極
２１  サブマウント
２２  ｎ側引出電極
２３  ｐ側引出電極
２４  ｎ極バンプ
２５  ｐ極バンプ
【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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