(57)【要約】【課題】光取り出し効率を高めることができる半導体発光ダイオードを提供する。【解決手段】第１領域１０Ａは、ｎ型層１２およびｐ型層１３によりｐｎ接合部１４が構成され、ｐ型層１３の上にｐ側電極２１が形成されている。第２領域１０Ｂは、ｎ型層１２の一部領域を含み、ｎ側電極２２が設けられている。両者の間の境界領域１０Ｃには、ｐｎ接合部１４の一部を含む傾斜部３０が設けられている。傾斜部３０にアルミニウム（Ａｌ）または銀（Ａｇ）などよりなる高反射膜４２を設け、傾斜部３０に到達した光を高反射膜４２で反射させて外部に効率よく取り出す。【選択図】図１
2007165726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、前記第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、
前記第２導電型半導体層の一部領域を含み、前記第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、
前記第１領域と第２領域との間の境界領域に設けられ、前記ｐｎ接合部の一部を含むと共に表面に高反射膜を有する傾斜部と
を備えたことを特徴とする半導体発光ダイオード。
【請求項２】
前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層は、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光ダイオード。
【請求項３】
前記第１領域内に凹部が設けられ、前記凹部の底面は前記第２領域となっており、
前記第１電極は前記凹部を取り囲むように形成される一方、前記凹部の底面に前記第２電極が設けられ、
前記第１電極のすべての位置で前記第２電極との最短距離Ｍは７０μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光ダイオード。
【請求項４】
前記凹部は、前記第１領域の周囲から内部へ延びる切込みである
ことを特徴とする請求項３記載の半導体発光ダイオード。
【請求項５】
前記第１領域内に凹部が設けられ、前記凹部の底面は前記第２領域となっており、
前記第１領域の面積Ｓと総周辺長Ｌとは数１を満たし、
かつ、前記面積Ｓは、前記第１領域，前記第２領域および前記境界領域の合計面積の７０％以上である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光ダイオード。
（数１）
ａ＝Ｌ／√Ｓ
ａ＞１０
（数１においてａは前記第１領域の形状の複雑さの指標を表す。）
【請求項６】
前記凹部は、前記第１領域の周囲から内部へ延びる切込みである
ことを特徴とする請求項５記載の半導体発光ダイオード。
【請求項７】
前記第１領域の前記第１導電型半導体層の表面から厚み方向一部に、傾斜部を有する溝が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光ダイオード。
【請求項８】
前記第１電極は前記第１領域のうち前記溝以外の領域に形成され、前記溝には前記高反射膜が形成されている
ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光ダイオード。
【請求項９】
前記第１領域の面積Ｓと表面における総周辺長Ｌ０とは数２を満たし、
かつ、前記面積Ｓは、前記第１領域，前記第２領域および前記境界領域の合計面積の７０％以上である
ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光ダイオード。
（数２）
ａ０＝Ｌ０／√Ｓ
ａ０＞１０
Ｌ０＝Ｌ＋Ｌ１
（数２においてａ０は前記第１領域の表面形状の複雑さの指標、Ｌは前記第１領域の総周辺長、Ｌ１は前記溝の総周辺長をそれぞれ表す。）
【請求項１０】
ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、前記第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、
前記第２導電型半導体層の一部領域を含み、前記第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、
前記第１領域と第２領域との間の境界領域と
を有し、
前記第１領域の前記第１導電型半導体層の表面から厚み方向一部に、傾斜部を有する溝が設けられており、
前記第１領域の面積Ｓと表面における総周辺長Ｌ０とは数３を満たし、
かつ、前記面積Ｓは、前記第１領域，前記第２領域および前記境界領域の合計面積の７０％以上である
ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
（数３）
ａ０＝Ｌ０／√Ｓ
ａ０＞１０
Ｌ０＝Ｌ＋Ｌ１
（数３においてａ０は前記第１領域の表面形状の複雑さの指標、Ｌは前記第１領域の総周辺長、Ｌ１は前記溝の総周辺長をそれぞれ表す。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の片側に第１電極および第２電極を設けた半導体発光ダイオードに係り、特に青ないし緑色の光を発生するものに好適な半導体発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（以下、「窒化物半導体」という。）であるＧａＩｎＮ混晶は、インジウム組成比により禁制帯幅が０．８ｅＶから３．２ｅＶまで変化し、また直接遷移の半導体材料であり、紫外領域，全可視領域および赤外領域までの広い波長範囲にわたる発光・受光素子の構成材料として期待されている。既に、紫外，青および緑色並びに白色の発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）や、Blu-ray （ブルーレイ）規格の発振波長４０５ｎｍのレーザは実用化されており、その高性能化が図られている。更には、発振波長４５０ｎｍの純青色レーザなどもほぼ実用化段階に入っている。また、この材料は、高電界での飽和速度が大きく、耐熱性および耐放射線性にも優れていることから、高出力高周波トランジスタなどの電子素子を構成する材料としても注目されている。
【０００３】
図２８は、このようなＧａＩｎＮ混晶を用いた従来の半導体発光ダイオードの一例を表している。この半導体発光ダイオードは、サファイア等の絶縁性材料よりなる基板１１１上に形成されており、ｎ型層１１２およびｐ型層１１３によりｐｎ接合部１１４が構成されている。ｐ型層１１３上には、高反射材料よりなるｐ側電極１２１が設けられている。ｐ型層１１３，およびｎ型層１１２の厚み方向の一部は例えばドライエッチングにより除去されて傾斜部１３０となっており、ｎ型層１１２の露出面にｎ側電極１２２が設けられている。このように基板１１１の片側にｐ側電極１２１およびｎ側電極１２２を設けた半導体発光ダイオードでは、発生した光は基板１１１の裏側から外部へ取り出される。
【０００４】
基板１１１としては、ＳｉＣまたはＧａＮなど導電性のものを用いることもある。これらの基板は発光波長に対して透明であるので、サファイア基板の場合と同様に、基板の片側にｐ側電極およびｎ側電極を設け、基板の裏側から光を取り出すフリップチップ型の構造とされることが多い。これは、基板の裏側に電極などを設けると、電極などで吸収される光の損失が大きくなってしまうという素子性能設計上の理由による。
【０００５】
このような半導体発光ダイオードの高性能化のためには、結晶成長技術による発光効率（内部発光効率）の向上に加えて、発生した光をいかに素子外部に取り出すかという光取り出し効率の向上が重要である。従来、光取り出し効率を高める方法は、大別すると三つある。
【０００６】
第１は、半導体発光ダイオードと外部すなわち空気との間の界面に屈折率差があっても、外部に光を効率よく取り出せるようにすることである。例えばＧａＮ（屈折率は約２．４）と空気（屈折率１）との界面では、屈折率の低い空気側に光を取り出さなければならない。更に、基板１１１にサファイア（屈折率は約１．７）を用いた場合には、ＧａＮとサファイアとの間、およびサファイアと空気との間の二つの界面で、それぞれ屈折率の低い側に光を取り出さなければならない。
【０００７】
屈折率の高い媒体中から屈折率の低い媒体中へ光を取り出すには、光の入射角を深くするような構造設計が必要となる。そのため従来では、素子形状を工夫したり基板自身に加工を施す方法が取られている。また、素子周辺に中間の屈折率を有するポッティング樹脂またはキャップあるいはレンズを形成することにより光の入射角を深くする方法もある。
【０００８】
なお、サファイア基板の代わりにＧａＮ基板を用いれば界面を減らすことができる。しかし、現状では良質で安価なＧａＮ基板の入手が難しく、サファイア基板を完全に置き換えるには至らない。また、ＧａＮ基板を採用したとしても、それは光取り出し効率向上のための対策の一部にすぎない。
【０００９】
第２は、光が外部に取り出される前に異種媒体間の界面や電極で反射を繰り返しても、吸収による損失が少なくなるようにすることである。特にｐ側電極１２１やｎ側電極１２２には、青や緑の波長に対して９０％以上の反射率を有する銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）などの高反射材料を用い、電極での吸収による損失を少なくしている。
【００１０】
また、傾斜部１３０には絶縁層（図示せず）が設けられているが、この絶縁層についても、厚みを波長の４分の１になるように形成したり、あるいは発光波長に対して高反射率となる多層構造とすることにより、素子内部での損失を減らしている。
【００１１】
第３は、素子から取り出した光をシステムに効率よく入射させるためのパッケージング技術である。例えば、おわん型ミラーを設けることにより、パッケージ裏面側への光を有効活用し指向性を制御したり、あるいは、パッケージにレンズを用いることにより効率よくシステムに入射させるようにしている。
【特許文献１】特許第３５７６９６３号明細書（段落００１３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、発光ダイオードでは光の方向がまちまちなので、すべての光を、屈折率差のある界面に対して、全反射角よりも深い角度で入射させて外部に取り出すということは所詮不可能であった。ｐ側電極１２１やｎ側電極１２２を高反射材料により構成しても、その反射率は１００％ではないので、反射を繰り返すことにより吸収損失は増大してしまっていた。また、高反射材料がそのまま接触抵抗の良好な電極とはなりえないので、素子動作電圧を考えた場合の反射率では、更に吸収損失は大きくなっていた。このようなことから、従来の半導体発光ダイオードの光取り出し効率は、せいぜい５０％程度以下であった。
【００１３】
なお、例えば特許文献１には、窒化物半導体発光素子においては発光層の端面から発せられる発光成分が比較的大きいことから、ｐ型半導体層にエッチング加工を施して櫛型の凹部を設け、発光領域の端面を増やすことにより光取り出し効率を上げるようにした構造が記載されている。しかし、この構造では、凹部を設けることにより光取り出し効率が高くなる反面、ｐ型半導体層すなわち発光領域の面積が減少し、同じ電流に対して電流密度があがり、発光効率が低下してしまうという問題もあった。
【００１４】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光取り出し効率を高めることができる半導体発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明による第１の半導体発光ダイオードは、ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、第２導電型半導体層の一部領域を含み、第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、第１領域と第２領域との間の境界領域に設けられ、ｐｎ接合部の一部を含むと共に表面に高反射膜を有する傾斜部とを備えたものである。
【００１６】
この第１の半導体発光ダイオードでは、傾斜部に高反射膜が形成されているので、傾斜部に到達した光は、高反射膜で反射されて外部に効率よく取り出される。
【００１７】
本発明の第２の半導体発光ダイオードは、ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、第２導電型半導体層の一部領域を含み、第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、第１領域と第２領域との間の境界領域とを有し、第１領域の第１導電型半導体層の表面から厚み方向一部に、傾斜部を有する溝が設けられており、第１領域の面積Ｓと表面における総周辺長Ｌ０とは数１を満たし、かつ、面積Ｓは、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上であるものである。
【００１８】
（数１）
ａ０＝Ｌ０／√Ｓ
ａ０＞１０
Ｌ０＝Ｌ＋Ｌ１
（数１においてａ０は第１領域の表面形状の複雑さの指標、Ｌは第１領域の総周辺長、Ｌ１は溝の総周辺長をそれぞれ表す。）
【００１９】
この第２の半導体発光ダイオードでは、第１領域の第１導電型半導体層の表面から厚み方向一部に、傾斜部を有する溝が設けられているので、第１領域の面積Ｓは減らず、表面における総周辺長Ｌ０が長くなる。よって、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下が抑えられると共に、発生した光は少ない反射回数で溝に到達し、溝の傾斜部に深い角度で入射し、外部へ効率よく取り出される。また、第１領域の面積Ｓと表面における総周辺長Ｌ０とが数１を満たし、かつ、面積Ｓが、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上とされているので、十分に大きな面積Ｓが確保されて高い発光効率が維持されると共に、総周辺長Ｌ０が長くなり光取り出し効率が向上する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の第１の半導体発光ダイオードによれば、傾斜部に高反射膜を形成するようにしたので、傾斜部に到達した光を、高反射膜で反射させて外部に取り出すことができる。よって、光の取り出し効率を高めることができる。
【００２１】
本発明の第２の半導体発光ダイオードによれば、第１領域の第１導電型半導体層の表面から厚み方向一部に、傾斜部を有する溝を設け、第１領域の面積Ｓと表面における総周辺長Ｌ０とが数１を満たすようにすると共に、面積Ｓを、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上としたので、十分に大きな面積Ｓを確保して高い発光効率を維持しつつ、総周辺長Ｌ０を長くして光取り出し効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の一実施の形態に係る半導体発光ダイオードの断面構成を表し、図２はその平面構成を概略的に表したものである。この半導体発光ダイオードは、信号機などの表示素子，灯りまたはディスプレイなどに用いられるものであり、例えばサファイア等の絶縁性材料よりなる基板１１上に、正方形の第１領域１０Ａと、この第１領域１０Ａを枠状に囲む第２領域１０Ｂとを有し、両者の間に境界領域１０Ｃが設けられている。なお、実際の素子形状は図２に近いが、図１ではわかりやすくするため境界領域１０Ｃをやや広めに表している。
【００２４】
第１領域１０Ａは、ｎ型層１２およびｐ型層１３を含み、これら両層によりｐｎ接合部１４が構成されている。ｐ型層１３の表面には、ｐ側電極２１が設けられている。ｎ型層１２は、例えば、積層方向における厚み（以下、単に「厚み」という。）が１μｍないし６μｍ程度であり、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ，ｎ型ＡｌＧａＮ，ｎ型ＧａＩｎＮまたはｎ型ＧａＮにより構成されている。ｐ型層１３は、例えば、厚みが０．１μｍないし１μｍ程度であり、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ，ｐ型ＡｌＧａＮ，ｐ型ＧａＩｎＮまたはｐ型ＧａＮにより構成されている。ｐ側電極２１は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）層またはニッケル（Ｎｉ）層を第一層に用い、例えばパラジウム（Ｐｄ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｐ型層１３側から順に積層した構成を有し、ｐ型層１３に電気的に接続されている。ｐ側電極２１は、第１領域１０Ａの全部に形成されている必要はなく、第１領域１０Ａの一部に形成されていてもよい。
【００２５】
第２領域１０Ｂは、ｎ型層１２の一部領域を含み、このｎ型層１２の表面にｎ側電極２２を有している。ｎ側電極２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｎ型層１２側から順に積層した構成を有し、ｎ型層１２に電気的に接続されている。ｎ側電極２２は、第２領域１０Ｂの全部に形成されている必要はなく、第２領域１０Ｂの一部に形成されていてもよい。
【００２６】
なお、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２の一部には、電極取り出しのためのバンプやはんだ接着層などを設けるため、例えば直径１００μｍ程度のパッド領域（図示せず）が設けられている。このパッド領域は、実装時の信頼性により、例えば３箇所以上設けられる場合もある。
【００２７】
境界領域１０Ｃには、ｐｎ接合部１４の一部を含む傾斜部３０が設けられている。傾斜部３０の幅Ｗは、例えば数μｍ程度である。また、傾斜部３０の、ｎ型層１２の露出面に対する傾斜角度θは、例えば３０°〜４０°であることが好ましい。傾斜部３０で反射した光が基板１１に入射する角度を大きくすることができるので、光の取り出し効率を高めることができるからである。
【００２８】
この傾斜部３０は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）よりなる絶縁膜４１で覆われている。絶縁膜４１の表面には高反射膜４２が設けられており、これにより、この半導体発光ダイオードでは、光取り出し効率を高めることができるようになっている。
【００２９】
高反射膜４２は、例えば、厚みが０．１μｍ〜０．５μｍ程度であり、青や緑の波長帯で９０％以上の反射率を有する材料、例えば、アルミニウム（Ａｌ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）を含む合金、または銀（Ａｇ）もしくは銀（Ａｇ）を含む合金により構成されている。具体的には、例えば、銀（Ａｇ）を主成分とし、パラジウム（Ｐｄ），銅（Ｃｕ）またはインジウム（Ｉｎ）などを数％の組成比で含むものが挙げられる。なお、この高反射膜４１は、ｐ側電極２１とは別に設けられている。
【００３０】
この半導体発光ダイオードの中心を通る長さＤ（素子サイズ）は、２５０μｍ以上であることが好ましい。窒化物半導体では効率の電流依存性が大きく、図３に示したように、一般には動作電流は効率最大の条件よりも大きくされているので、高出力設計には、効率を下げないために素子サイズを大きくすることが必要となるからである。また、高出力設計には、排熱性の点からも素子サイズが大きい方が有利だからである。
【００３１】
この半導体発光ダイオードは、例えば次のようにして製造することができる。
【００３２】
まず、例えば、図４（Ａ）に示したように、サファイアよりなる基板１１を用意し、この基板１１の上に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により、上述した厚みおよび材料よりなるｎ型層１２およびｐ型層１３を順に形成する。次いで、同じく図４（Ａ）に示したように、ｐ型層１３の上に、例えば蒸着法により、パラジウム（Ｐｄ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層を順に積層し、ｐ側電極２１を形成するための金属膜２１Ａを形成する。
【００３３】
次いで、図４（Ｂ）に示したように、金属膜２１Ａ上にフォトレジスト膜５１を、第１領域１０Ａの形成予定領域１０Ａ１のみを覆うように形成し、このフォトレジスト膜５１をマスクとして、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法により、金属膜２１Ａを選択的に除去する。更に、ｐ型層１３，およびｎ型層１２の厚み方向一部を選択的に除去し、傾斜部３０を形成したのち、フォトレジスト膜５１を除去する。これにより、ｐｎ接合部１４を構成するｎ型層１２およびｐ型層１３を含み、ｐ型層１３の表面にｐ側電極２１を有する第１領域１０Ａが形成される。
【００３４】
続いて、図５（Ａ）に示したように、ｎ型層１２の露出した表面に、例えば蒸着法により、ｎ側電極２２を形成する。これにより、第２領域１０Ｂが形成される。なお、このとき、上述したパッド領域（図示せず）なども形成する。
【００３５】
そののち、図５（Ｂ）に示したように、例えばＣＶＤ法により、上述した厚みおよび材料よりなる絶縁膜４１を全面に形成し、例えばリソグラフィにより所定の形状に成形する。絶縁膜４１を形成したのち、同じく図５（Ｂ）に示したように、例えば蒸着法またはスパッタ法により、傾斜部３０に高反射膜４２をリフトオフ形成する。
【００３６】
高反射膜４２を形成したのち、例えばＣＶＤ法により、表面保護のための絶縁膜（図示せず）を全面に形成し、この絶縁膜に、例えばリソグラフィにより、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２などに対応して開口部を設ける。以上により、図１および図２に示した半導体発光ダイオードが完成する。
【００３７】
この半導体発光ダイオードでは、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に所定の電圧が印加されると、電流が注入されて、ｐｎ接合部１４付近において電子−正孔再結合により発光が起こる。ここでは、傾斜部３０に高反射膜４２が設けられているので、傾斜部３０に到達した光は、高反射膜４２で反射されて基板１１の裏側から外部に効率よく取り出される。
【００３８】
このように本実施の形態の半導体発光ダイオードでは、傾斜部３０に高反射膜４２を形成するようにしたので、傾斜部３０に到達した光を高反射膜４２で反射させて外部に取り出すことができ、光取り出し効率を高めることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、基板１１がサファイアにより構成されている場合について説明したが、ＧａＮ基板でもよい。
【００４０】
また、本実施の形態では、第１領域１０Ａが正方形である場合について説明したが、第１領域１０Ａの形状は特に限定されない。例えば、第１領域１０Ａは、図６のような円形、または図７のような長方形でもよい。
【００４１】
また、第２領域１０Ｂの幅は必ずしも一様である必要はなく、部分的に異なっていてもよい。例えば、図８に示したように、第２領域１０Ｂの幅を第１領域１０Ａの一角で広くして、例えば第１領域１０Ａの一辺の３分の１程度の正方形としてもよい。あるいは、図９に示したように、第２領域１０Ｂの幅を第１領域１０Ａの対向する二辺の中央で広くしてもよい。
【００４２】
更に、複数の第１領域１０Ａを並べて一つの半導体発光ダイオードを構成することも可能である。例えば、図１０に示したように、四つの長方形の第１領域１０Ａの周囲に、それぞれ境界領域１０Ｃおよび第２領域１０Ｂを枠状に設けるようにしてもよい。この場合、ｐｎ接合部１４の面積が減らないよう、第１領域１０Ａの数は１個ないし５個程度以下とし、各第１領域１０Ａは矩形またはそれに近い形状とすることが望ましい。
【００４３】
（第２の実施の形態）
図１１は本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの断面構成を表し、図１２はその平面構成を概略的に表したものである。この半導体発光ダイオードは、第１領域１０Ａの各辺に、周囲から内部へ延びる切込み状の凹部１０Ｄが設けられ、この凹部１０Ｄの底面が第２領域１０Ｂとなっていることを除いては、第１の実施の形態と同様の構成を有している。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００４４】
ｐ側電極２１は凹部１０Ｄを取り囲むように形成される一方、凹部１０Ｄの底面にはｎ側電極２２が形成されている。なお、凹部１０Ｄの側面は境界領域１０Ｃとなっている。
【００４５】
ｐ側電極２１のすべての位置でｎ側電極２２との最短距離Ｍは７０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以下であればより好ましい。この範囲内であれば、実際に電流が横方向に流れる距離を短くして、電流注入むらを改善し、動作電圧を下げたり発光効率を高めることができるからである。なお、図面では、最短距離Ｍを表す矢印を、半導体発光ダイオードをｐ側電極２１側から見たときの平面上の距離として記載しているが、この距離は、必ずしも実際に電流が横方向に流れる距離と等しくなるとは限らない。
【００４６】
最短距離Ｍは、広義においては、素子の寸法（一辺，長辺または直径）に対して、ｐ側電極２１の各座標ごとのｎ側電極２２までの距離を求めた場合の、その最大値を表し、この値が小さいほど（概ねＭ＜０．１）ｐ側電極２１はｎ側電極２２に近いことになる。定性的に表現すれば、第１領域１０Ａが丸や矩形ではなく、細長い、あるいは入り組んだ形状であることを表す。
【００４７】
素子性能上は、最短距離Ｍは相対値としてではなく、実際に電流が横方向に流れる距離として問題になる。すなわち、第１領域１０Ａが正方形であっても、横方向電流経路が一辺の２分の１以上になることはないので、例えば一辺が２００μｍの正方形の第１領域１０Ａの周囲に枠状の第２領域１０Ｂを有する半導体発光ダイオードでは、電流が横方向に流れる距離は最大でも１００μｍとなる。しかし、第１領域１０Ａの一辺を１ｍｍとすると、電流が横方向に流れる距離は５００μｍにもなってしまい、電流注入むらが生じるおそれがある。
【００４８】
また、第１領域１０Ａの面積Ｓと総周辺長Ｌとは数２を満たし、かつ、面積Ｓは、第１領域１０Ａ，第２領域１０Ｂおよび境界領域１０Ｃの合計面積の７０％以上であることが好ましい。総周辺長Ｌを長くして光取り出し効率を向上させつつ、十分な面積Ｓを確保できるように最適化することができ、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下を抑えることができるからである。
【００４９】
（数２）
ａ＝Ｌ／√Ｓ
ａ＞１０
（数２においてａは第１領域１０Ａの形状の複雑さの指標を表す。）
【００５０】
ａは、面積Ｓに対する総周辺長Ｌの比率であり、第１領域１０Ａの形状の入り組みの程度を表している。すなわち、ａの値が大きいほど第１領域１０Ａの形状が入り組んでいることを表す。
【００５１】
ａの値を大きくし、第１領域１０Ａを入り組んだ形状とすることは、光取り出し効率の向上につながる。すなわち、発生した光のうちには、基板１１の外部に出力されない成分があり、これは、素子の内部と外部との界面あるいは素子内の屈折率の異なる層の間の界面と、ｐ側電極２１との間で反射する。ｐ側電極２１での反射率は１００％ではないので、反射のたびに吸収損失が発生し、反射を繰り返すうちに減衰してしまう。図１３（Ａ）に示したように、凹部１０Ｄが設けられていない場合には、第１領域１０Ａの幅が大きく、発生した光が境界領域１０Ｃに達するまでの反射回数が多く、吸収損失も大きくなる。これに対して、図１３（Ｂ）に示したように、凹部１０Ｄを設けた場合には、発生した光が境界領域１０Ｃに達するまでの反射回数を少なくすることができ、光の吸収損失を小さくして取り出し効率を高めることができる。更に、このとき、傾斜部３０の傾斜角度θは、上述したように、例えば３０°〜４０°程度に浅くすることが好ましい。傾斜部３０で反射した光を基板１１に深い角度で入射させ、素子外部に効率よく取り出すことができるからである。図１３（Ｃ）に示したように、傾斜部３０の傾斜角度θが垂直に近い角度の場合には、傾斜部３０で反射した光が素子内部に戻ってしまい、基板１１の外部に出力されにくくなってしまう。
【００５２】
表１は、第１領域１０Ａの形状を計算例１，２に示したように変化させた場合の総周辺長Ｌおよび面積Ｓ，ｐ側電極２１とｎ側電極２２との最短距離Ｍ，並びに上記指標ａの簡単な計算結果をそれぞれ表したものである。なお、計算に際して、凹部１０Ｄの幅および境界領域１０Ｃの幅は無視している。また、凹部１０Ｄを設けた場合、面積Ｓも例えば１０％〜２０％減少するが、表１では簡便のため無視している。
【００５３】
計算例１では、図１４に示したように、第１領域１０Ａは長方形であり、長辺Ｘは約１ｍｍ、短辺は長辺の４分の１（Ｘ／４）、約２５０μｍである。第１領域１０Ａの長辺には、切込み状の凹部１０Ｄが等間隔に１５本設けられている。凹部１０Ｄの長さは短辺の約３分の１（Ｘ／１２）とされている。
【００５４】
計算例２は、図１５に示したように、図１４に示した長方形の第１領域１０Ａを四つ並べて配置したものであり、全体として一辺約１ｍｍの正方形をなしている。
【００５５】
また、参考例１〜６として、凹部１０Ｄを設けない場合についても計算例１，２と同様にして総周辺長Ｌおよび面積Ｓ，ｐ側電極２１とｎ側電極２２との最短距離Ｍ，並びに上記指標ａを併せて表１に示す。
【００５６】
参考例１では、図１６に示したように、第１領域１０Ａは半径Ｚの円形であり、その周囲に環状の第２領域１０Ｂが設けられている。参考例２は、図１７に示したように、第１領域１０Ａは一辺Ｚの正方形であり、その周囲に枠状の第２領域１０Ｂが設けられている。参考例３は、図１８に示したように、参考例２と同様の第１領域１０Ａの一角において、第２領域１０Ｂの幅を広くし、第１領域１０Ａの幅の３分の１（Ｚ／３）の正方形としたものである。参考例４は、図１９に示したように、参考例２と同様の第１領域１０Ａの対向する二辺の中央で、第２領域１０Ｂの幅を広くし、第１領域１０Ａの幅の３分の１（Ｚ／３）としたものである。参考例５では、図２０に示したように、第１領域１０Ａは長方形、長辺Ｚ、短辺は長辺の４分の１（Ｚ／４）であり、その周囲に枠状の第２領域１０Ｂが設けられている。参考例６は、図２１に示したように、参考例５と同様の第１領域１０Ａを四つ並べて配置したものである。
【００５７】
【表１】
2007165726.tif 000003
【００５８】
ここで、一定の面積に対する総周辺長は、形状が円の場合に最小となるので、Ｌ＝２√π（≒３．５）がＬの最小値である。表１から分かるように、凹部１０Ｄを設けた計算例１，２ではａ＞１０となるのに対して、凹部を設けない参考例１〜６ではａ≦１０である。
【００５９】
この半導体発光ダイオードは、第１領域１０Ａを形成する際に凹部１０Ｄを設けること、および一回のエッチングで傾斜部３０を形成することを除いては、上記第１の実施の形態と同様にして製造することができる。
【００６０】
この半導体発光ダイオードでは、上記実施の形態と同様に、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に所定の電圧が印加されると、電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。ここで、ｐ側電極２１のすべての位置でｎ側電極２２との最短距離Ｍが７０μｍ以下とされていることにより、実際に電流が横方向に流れる距離が短くなり、ｐ側電極２１の周辺部と中央部との電流注入むらが改善される。よって、動作電圧が下がり、発光効率が高くなる。
【００６１】
また、第１領域１０Ａの面積Ｓと総周辺長Ｌとが数２を満たし、かつ、面積Ｓが、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上とされていることにより、総周辺長Ｌを長くして光取り出し効率を高めつつ、十分に大きな面積Ｓが確保されており、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下が抑えられる。
【００６２】
これに対して、従来では、電流分布はｐ側電極１２１に対して一様ではなく、ｐ側電極１２１の周辺部では電流密度が高く、そこから離れるにつれて電流注入量が減っていた。このような電流注入むらは、実際に電流Ｃが横方向に流れる距離が長くなるほど顕著になり、動作電圧の上昇や発光効率低下を招いてしまっていた。
【００６３】
電流Ｃが横方向に流れる距離を変化させるため、従来では、ｐ型層１１３やｎ型層１１２の厚みや濃度などの設計により抵抗率を調整するようにしていた。しかし、この方法では、結晶成長工程やウェハプロセスに制約を生じていた。例えば、ｐ型層１１３の厚みを大きくした場合、成長時間が長くなるので、不純物拡散やｐｎ接合部１１４への悪影響のおそれがあり、また、エッチング深さが増大することによりウェハプロセスのパターニング技術にも制約があった。
【００６４】
このように本実施の形態では、ｐ側電極２１のすべての位置でｎ側電極２２との最短距離Ｍを７０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下とすることにより、実際に電流が横方向に流れる距離を短くして、電流注入むらを改善し、動作電圧を下げたり発光効率を高めることができる。
【００６５】
また、面積Ｓと総周辺長Ｌとが数２を満たし、かつ、面積Ｓが、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上とすることにより、総周辺長Ｌを長くして光取り出し効率を高めつつ、十分に大きな面積Ｓを確保し、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下を抑えることができる。
【００６６】
また、半導体発光ダイオードは既に広く市場に普及した汎用部品であり、できる限りコストを抑えることが望まれるが、本実施の形態では若干の工程変更を伴うのみで、コスト増を極力抑えつつ発光効率や光取り出し効率などの性能を向上させることができる。
【００６７】
なお、上記図１４，図１５では、第１領域１０Ａの長辺に凹部１０Ｄを入れた場合について説明したが、凹部１０Ｄを設ける位置は第１領域１０Ａの周縁部であればよく、例えば短辺に入れることも可能である。
【００６８】
また、フリップチップ型実装の場合には、第２領域１０Ｂは必ずしも平面的に見て連続した形状である必要はない。よって、図２２に示したように、第１領域１０Ａ内に例えば四つの円形の凹部１０Ｄを設けるようにしてもよい。なお、凹部１０Ｄの平面形状は円形に限定されないことは言うまでもなく、また、その個数も特に限定されない。
【００６９】
（第３の実施の形態）
図２３は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの断面構成を表し、図２４はその平面構成を概略的に表したものである。この半導体発光ダイオードは、第１の実施の形態と同様に、基板１１上に、正方形の第１領域１０Ａと、この第１領域１０Ａを枠状に囲む第２領域１０Ｂとを設けたものである。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００７０】
本実施の形態では、傾斜部３０には、絶縁膜４１のみが設けられ、高反射膜４２は設けられていない。なお、第１の実施の形態と同様に、この半導体発光ダイオードの中心を通る長さＤ（素子サイズ）は２５０μｍ以上であることが好ましい。
【００７１】
第１領域１０Ａのｐ型層１３の表面から厚み方向一部には、傾斜部６１を有する溝６０が設けられており、発光効率の低下を抑えつつ光取り出し効率を高めることができるようになっている。この溝６０の平面形状や数は特に限定されないが、図２４では、例えば、第１領域１０Ａの各辺に、周囲から内部に向けて延びる切込み状の溝６０を設けた場合を表している。
【００７２】
傾斜部６１におけるｐ型層１３の厚みＴ０は、例えば０．１μｍ〜２．０μｍ程度であることが好ましい。０．１μｍよりも薄いと傾斜部６１を形成することによる光取り出し効率向上の効果が小さくなってしまい、２．０μｍよりも厚いと成膜時間が長くなり製造コスト増大につながると共に結晶品質を損なうおそれもでるからである。
【００７３】
傾斜部６１の幅Ｗ０は、傾斜部３０の幅Ｗと同様に、例えば数μｍ程度である。また、傾斜部６１の、ｎ型層１２の表面に対する傾斜角度θ０も、傾斜部３０の傾斜角度θと同様に、例えば３０°〜４０°であることが好ましい。傾斜部６１で反射した光が基板１１に入射する角度を大きくすることができるので、光の取り出し効率を更に高めることができるからである。
【００７４】
なお、溝６０の断面形状については、必ずしも図２３に示したように傾斜部６１の間に平坦な底面を有している必要はなく、いわゆるＶ字状であってもよい。
【００７５】
また、第１領域１０Ａの面積Ｓと表面における総周辺長Ｌ０とは数３を満たし、かつ、面積Ｓは、第１領域１０Ａ，第２領域１０Ｂおよび境界領域１０Ｃの合計面積の７０％以上であることが好ましい。十分に大きな面積Ｓを確保して高い発光効率を維持しつつ、総周辺長Ｌ０を長くして光取り出し効率を向上させることができるからである。
【００７６】
（数３）
ａ０＝Ｌ０／√Ｓ
ａ０＞１０
Ｌ０＝Ｌ＋Ｌ１
（数３においてａ０は第１領域１０Ａの表面形状の複雑さの指標、Ｌは第１領域１０Ａの総周辺長、Ｌ１は溝６０の総周辺長をそれぞれ表す。）
【００７７】
この半導体発光ダイオードは、例えば次のようにして製造することができる。
【００７８】
まず、第１の実施の形態の図４（Ａ）に示した工程と同様にして、サファイアよりなる基板１１を用意し、ｎ型層１２およびｐ型層１３を順に形成する。
【００７９】
次いで、図２５（Ａ）に示したように、ｐ型層１３上にフォトレジスト膜７１を、溝６０の形成予定領域以外の領域を覆うように形成し、このフォトレジスト膜７１をマスクとして、例えばＲＩＥ法によりｐ型層１３の厚み方向一部を選択的に除去し、傾斜部６１を有する溝６０を設ける。そののち、フォトレジスト膜７１を除去する。
【００８０】
続いて、図２５（Ｂ）に示したように、例えば蒸着法により、ｐ型層１３の上面にｐ側電極２１を形成する。
【００８１】
そののち、図２６（Ａ）に示したように、フォトレジスト膜７２を、第１領域１０Ａの形成予定領域１０Ａ１のみを覆うように形成し、このフォトレジスト膜７２をマスクとして、例えばＲＩＥ法によりｐ型層１３，およびｎ型層１２の厚み方向一部を選択的に除去し、ｎ型層１２を露出させると共に傾斜部３０を形成する。そののちフォトレジスト膜７２を除去する。
【００８２】
傾斜部３０を形成したのち、図２６（Ｂ）に示したように、ｎ型層１２の露出した表面に、例えば蒸着法によりｎ側電極２２を形成する。そののち、例えばＣＶＤ法により絶縁膜４１を全面に形成し、例えばリソグラフィにより所定の形状に成形する。以上により、図２３および図２４に示した半導体発光ダイオードが完成する。
【００８３】
この半導体発光ダイオードでは、第１領域１０Ａのｐ型層１３の表面から厚み方向一部に、傾斜部６１を有する溝６０が設けられているので、第１領域１０Ａの面積Ｓは減らず、表面における総周辺長Ｌ０が長くなっている。よって、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下が抑えられると共に、発生した光は少ない反射回数で溝６０に到達し、傾斜部６１に深い角度で入射し、外部へ効率よく取り出される。
【００８４】
このように本実施の形態では、第１領域１０Ａのｐ型層１３の表面から厚み方向一部に、傾斜部６１を有する溝６０を設けるようにしたので、発光効率の低下を抑えつつ光取り出し効率を高めることができる。
【００８５】
また、第１領域１０Ａの面積Ｓと表面における総周辺長Ｌ０とが数３を満たすようにし、かつ、面積Ｓを、第１領域１０Ａ，第２領域１０Ｂおよび境界領域１０Ｃの合計面積の７０％以上とすれば、十分に大きな面積Ｓを確保して高い発光効率を維持すると共に、総周辺長Ｌ０を長くして光取り出し効率を更に向上させることができる。
【００８６】
なお、本実施の形態では、第１領域１０Ａのｐ型層１３の厚み方向一部に溝６０を設ける場合について説明したが、更に、電流注入分布や動作電圧などを考慮して、溝６０と共に、上記第２の実施の形態で説明した凹部１０Ｄを組み合わせて用いるようにしてもよい。
【００８７】
（第４の実施の形態）
図２７は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの断面構成を表したものである。この半導体発光ダイオードは、傾斜部３０および溝６０の傾斜部６１に上記第１の実施の形態と同様の高反射膜４２を設けたことを除いては、第３の実施の形態の半導体発光ダイオードと同一の構成を有している。また、製造方法および作用も第１および第３の実施の形態と同様である。
【００８８】
本実施の形態では、傾斜部３０および溝６０の傾斜部６１に上記第１の実施の形態と同様の高反射膜４２を設けたので、光取り出し効率を更にいっそう高めることができる。
【００８９】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、傾斜部３０および溝６０の傾斜部６１が傾斜面である場合について説明したが、これらは必ずしも傾斜面である必要はなく、湾曲面などでもよい。
【００９０】
また、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、上記実施の形態では、半導体層１０の構成材料を具体的に挙げて説明したが、半導体層１０は、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）とを含む他の窒化物半導体により構成されていてもよい。
【００９１】
更に、ｐ側電極２１は、素子設計上の理由で高反射率の銀（Ａｇ）または銀（Ａｇ）を含む合金を用い、例えば銀（Ａｇ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｐ型層１３側から順に積層した構成としてもよい。その際、白金（Ｐｔ）層の代わりに、電極の拡散・合金化を抑制するためのバリアメタルとして、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）を用いてもよい。また、ｎ側電極２２の熱処理を行う場合には、チタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ）系を用いてもよい。
【００９２】
更に、例えば、上記実施の形態では、ｎ型層１２およびｐ型層１３をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、ＭＯＶＰＥ法等の他の有機金属気相成長法により形成してもよく、あるいは、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法等を用いてもよい。また、高反射膜４２は、上記実施の形態で説明したリフトオフ形成のほか、全面に金属膜を形成したのちドライエッチングなどによるエッチバックの方法も選択可能である。
【００９３】
加えて、例えば、上記実施の形態では、半導体発光ダイオードの構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また他の層を更に備えていてもよい。例えば、ｎ型層１２およびｐ型層１３の間に活性層を備えていてもよい。また、ｐ型層１３とｐ側電極２１との間、あるいはｎ型層１２とｎ側電極２２との間に、ｐ側電極２１またはｎ側電極２２とのコンタクト性を高めるためのコンタクト層を有していてもよい。更に、基板１１とｎ型層１２との間にバッファ層を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した半導体発光ダイオードをｐ側電極の側から見た構成を表す平面図である。
【図３】窒化物半導体を用いた半導体発光ダイオードにおける内部効率と動作電流との関係を表す図である。
【図４】図１に示した半導体発光ダイオードの製造方法を工程順に表す断面図である。
【図５】図４に示した工程に続く工程を表す断面図である。
【図６】図１に示した半導体発光ダイオードの変形例を表す平面図である。
【図７】図１に示した半導体発光ダイオードの他の変形例を表す平面図である。
【図８】図１に示した半導体発光ダイオードの更に他の変形例を表す平面図である。
【図９】図１に示した半導体発光ダイオードの更に他の変形例を表す平面図である。
【図１０】図１に示した半導体発光ダイオードの更に他の変形例を表す平面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの構成を表す断面図である。
【図１２】図１１に示した半導体発光ダイオードをｐ側電極の側から見た構成を表す平面図である。
【図１３】図１１に示した半導体発光ダイオードにおける光取り出し効率の向上を説明するための図である。
【図１４】第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した例を表すための平面図である。
【図１５】第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した他の例を表すための平面図である。
【図１６】第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。
【図１７】第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。
【図１８】第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。
【図１９】第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。
【図２０】第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。
【図２１】第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。
【図２２】図１１に示した半導体発光ダイオードの変形例を表す平面図および断面図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの構成を表す断面図である。
【図２４】図２３に示した半導体発光ダイオードをｐ側電極の側から見た構成を表す平面図である。
【図２５】図２３に示した半導体発光ダイオードの製造方法を工程順に表す断面図である。
【図２６】図２５に示した工程に続く工程を表す断面図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの構成を表す断面図である。
【図２８】従来の半導体発光ダイオードの構成を表す断面図である。
【符号の説明】
【００９５】
１０Ａ…第１領域、１０Ｂ…第２領域、１０Ｃ…境界領域、１０Ｄ…凹部、１１…基板、１２…ｎ型層、１３…ｐ型層、１４…ｐｎ接合部、２１…ｐ側電極、２２…ｎ側電極、３０，６１…傾斜部、４１…絶縁膜、４２…高反射膜、６０…溝
【図１】
2007165726.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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