(57)【要約】【課題】本発明は、発光素子の面内の電流量を良好にコントロールして、発熱の集中を抑制して信頼性の高い半導体発光素子を提供する。【解決手段】本発明の半導体発光素子は、基板と、第１導電型の第１クラッド層と第２導電型の第２クラッド層とを有する主半導体領域と、第２クラッド層と電気的に接続されたパッド電極と、裏面電極とを有し、基板は、主半導体領域と裏面電極との間に有する第１導電型の第１の半導体領域と、第１の半導体領域の一部を挟むように第１の半導体領域に隣接して配置され、パッド電極直下に、パッド電極よりも大きく形成され、且つ周辺に複数のｐ＋層が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の第１の主面上に形成され、第１導電型の第１クラッド層と前記第１クラッド層の上方に第１導電型と異なる第２導電型の第２クラッド層とを有する主半導体領域と、
前記主半導体領域の上方に設けられ、前記第２クラッド層と電気的に接続されたパッド電極と、
前記基板の第２の主面に設けられた裏面電極と、を有し、
前記基板には、前記主半導体領域と前記裏面電極との間に有する第１導電型の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域に隣接して配置され、前記パッド電極直下に、前記パッド電極よりも大きく形成された第１の部分と、且つ前記第１の部分の周辺に前記第１の半導体領域の一部を前記第１の部分で挟むように形成された第２の部分を有する第２導電型の第２の半導体領域が形成されたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
第２導電型の前記第２の半導体領域が第１の主面上に形成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３】
第２導電型の前記第２の半導体領域が前記主半導体領域上に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２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、特に発光部を有する半導体発光素子に関する。
【０００２】
ＩｎＧａＡｌＰからなる発光部における電流分布を改善することができ、光取出し効率及び輝度の向上を図る半導体発光装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ＩｎＧａＡｌＰ系材料からなり活性層をｎ型のクラッド層及びｐ型のクラッド層で挟んだダブルヘテロ接合構造部（発光領域層）を設け、この発光領域層に対して基板と反対側の面上の一部に形成された電極以外の面上から光を取り出す半導体発光装置において、発光領域層と電極との間に発光領域側から、光取出し側電極程度の大きさのｎ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層と、ＩｎＧａＡｌＰ活性層よりバンドギャップが大きいｐ−ＧａＡｌＡｓ電流拡散層とを形成するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２２９６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術の構造では光取出し側電極直下の電流阻止層近傍に電流が多く流れてしまい、電流阻止層近傍で発熱が集中してしまう。これにより、素子の信頼性が低下する問題がある。また、電流阻止層を設けたとしても、電流阻止層の外側であって電流阻止層近傍の直下の発光領域層の領域で比較的多く発光する。その結果、電極で光が遮断され、光取出し効率が低下する問題がある。さらに、従来技術の構造では電流阻止層のためのエピタキシャル成長を行った後、電流阻止層のため必要な部分を残し、他の部分を除去する工程、その後に更にエピタキシャル層を形成した後に段差をなくす平坦化処理が必要であり、素子の製造コストが高くなる問題がある。
【０００６】
よって、本発明は、発光部を有する半導体発光素子構造において、発光素子の面内の電流量を良好にコントロールして、発熱の集中を抑制して信頼性の高い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】
上述の課題を解決するために、本発明は、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体発光素子は、基板と、基板の第１の主面（一方の主面）上に形成され、第１導電型の第１クラッド層と第１クラッド層の上方に第１導電型と異なる第２導電型の第２クラッド層とを有する主半導体領域と、主半導体領域の上方に設けられ、第２クラッド層と電気的に接続されたパッド電極と、基板の第２の主面（他方の主面）に設けられた裏面電極とを有し、基板には、主半導体領域と裏面電極との間に有する第１導電型の第１の半導体領域と、第１の半導体領域に隣接して配置され、パッド電極直下に、パッド電極よりも大きく形成された第１の部分と、且つ第１の部分の周辺に第１の半導体領域の一部を第１の部分で挟むように形成された第２の部分を有する第２導電型の第２の半導体領域が形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発光素子の面内の電流量を良好にコントロールして、発熱の集中を抑制して信頼性の高い半導体発光素子を提供することができる。
また、光取出し効率を向上させ、容易に製造できる半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例２に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例３に係る半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。但し、図面は模式的なものであり、寸法関係の比率等は現実のものとは異なる部分が含まれている。
【実施例１】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施例１に係る半導体発光素子１００を説明する。
【００１２】
図１に示す本発明の実施例1に従う半導体発光素子は、基板１と、基板１の上に配置された主半導体領域２と、主半導体領域２に接続された表面電極３と、基板１に接続された裏面電極４と、パッド電極７とを有している。
【００１３】
基板１は、導電型基板であり、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ等で形成される。基板１の好ましい厚みは比較的厚い２００〜５００μｍである。
【００１４】
基板１には、決定用不純物としてリン等の５族元素を含む第１の半導体領域８（ｎ−型チャネル層）の第１の部分と、第１の半導体領域８の第１の部分の上面に形成され第１の半導体領域８よりもＮ型不純物濃度が低く、且つ、第１の主面５（一方の主面）に露出部を有するｎ―層９が設けられている。但し、ｎ―層９を設けなくても良い。
【００１５】
第１の半導体領域８の第１の部分の下面に第１の半導体領域８を挟むように島状に複数形成され、第２の主面６（他方の主面）に露出部を有するように形成され、ボロン、インジウム等の３族元素を含むｐ＋層１０とを有している。
【００１６】
ｐ＋層１０が設けられていない部分は、第２の主面６に向かって第１の半導体領域８の第２の部分が延伸している。第２の主面６のｐ＋層１０が設けられていない部分には、第１の半導体領域８よりも不純物濃度の高いｎ＋層１１が第１の半導体領域８の第２の部分と隣接している。ｎ＋層１１を設けることによって、ｎ＋層１１と接触する裏面電極４との接触抵抗を低減し、半導体発光素子の順方向電圧を低減することができる。
【００１７】
また、空乏層が生じたときのストッパー層としての機能も有することができる。なお、第１の半導体領域８の第２の部分は隣り合うｐ＋層１０で挟まれている。
【００１８】
また、基板１の側壁側の第２の主面６の露出部はエッチングストッパとしてｐ＋層１０とすることが望ましい。
【００１９】
なお、ｎ―層９、ｐ＋層１０、ｎ＋層１１は周知のイオン注入法、もしくは熱拡散法で形成する。
【００２０】
また、パッド電極７直下に設けられているｐ＋層（第１の部分）１０は、ここではｐ＋層１０の幅がパッド電極７の幅より広いことが望ましい。パッド電極７直下のｐ＋層１０を取り囲んで第１の半導体領域８を挟むように、ｐ＋層（第２の部分）１０が形成されている。なお、図１のように、挟まれる第１の半導体領域８の一部をｎ＋層１１と置き換えて、ｎ＋層１１とｐ＋層（第２の部分）１０が交互に形成されるようにしても良い。
【００２１】
基板１は半導体発光素子を支える土台として機能するため比較的厚く形成され、主半導体領域２は光を取り出すため比較的薄く形成される。その結果、主半導体領域２における横方向の電流拡散性は小さく、裏面電極４をパッド電極７直下から離れた基板１の側壁側に設けても、良好に主半導体領域２のほぼ全面に流れることは難しい。
【００２２】
しかし、主半導体領域２に形成された発光素子部分に順方向電圧が印加されるようにパッド電極７と裏面電極４との間に電圧を印加すると、パッド電極７直下のＰ＋層１０と第１の半導体領域８との界面においても空乏層が生じる。その結果、パッド電極７直下の第１の半導体領域８を流れる電流通路が狭くなりパッド電極７直下の第１の半導体領域８を流れる電流を抑制させることができる。
【００２３】
電流はＰ＋層１０をほとんど流れない。その結果、パッド電極７から裏面電極４までの電流通路が短いパッド電極７直下を流れる電流を抑制でき、活性層１３から発する光がパッド電極７で遮られることを抑制することができる。つまり、電流拡散機能を有する。
【００２４】
基板１の上面に主半導体領域２が形成されている。主半導体領域２はダブルへテロ構造の発光ダイオードを構成しており、ｎ型クラッド層として機能する第1クラッド層１２と、導電型決定不純物が添加されていないアンドープ半導体層からなる活性層１３と、ｐ型クラッド層として機能する第２クラッド層１４が順次積層されている。
【００２５】
基板１と主半導体領域２との間に周知のバッファ層を形成しても良い。バッファ層は複数の第1の層（例えばＡｌＮ層）と複数の第２の層（例えばＧａＮ層）とから成り、第1の層と第２の層とが交互に配置されている。なお、バッファ層の最も下に第1の層が配置される。バッファ層の第1の層は、Ａｌ（アルミニウム）を含む公知の材料の窒化物系化合物半導体であることが望ましい。
【００２６】
第１の層の好ましい厚みは、０．５ｎｍ〜５ｎｍである。第１の層の厚みが０．５ｎｍ未満の場合には上面に形成される主半導体領域２の平坦性が良好に保てなくなる。第１の層の厚みが５ｎｍを超えると、量子力学的トンネル効果が得られなくなる。
【００２７】
第２の層は、バッファ層の緩衝機能を更に高めるためのものであって、Ａｌを含まないか又はＡｌの割合が第１の層のＡｌの割合よりも小さい公知の材料のｎ型窒化物系化合物半導体から成る。
【００２８】
第２の層の好ましい厚みは、０．５ｎｍ〜２００ｎｍである。第２の層の厚みが０．５ｎｍ未満の場合には上面に形成される主半導体領域２の平坦性が良好に保てなくなる。第２の層の厚みが２００ｎｍを超えると、バッファ層にクラックが発生する恐れがある。
【００２９】
なお、バッファ層を例えばＡｌＮ層のみ又はｎ型ＧａＮ層のみで形成することもできる。また、バッファ層を省いて第1クラッド層１２を基板１の上に直接に形成することもできる。
【００３０】
第1クラッド層１２は、ＧａＮ等のｎ型窒化物系化合物半導体から成る。
【００３１】
ダブルヘテロ構造を形成するために第1クラッド層の上に配置された活性層１３は、窒化物系化合物半導体から成り、  図１において１つの層で概略的に示されているが、実際には周知の多重量子井戸構造を有している。
【００３２】
勿論、活性層１３を１つの層で構成することもできる。また、活性層１３の代りにｎ型又はｐ型不純物がドーピングされた半導体層を設けることもできる。また、活性層１３を省いてホモヘテロ構造にすることもできる。
【００３３】
活性層１３の上に配置された第２クラッド層１４は、窒化物系化合物半導体にｐ型不純物をドーピングしたものから成る。
【００３４】
この実施例では、第２クラッド層１４が厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＮで形成されている。この第２クラッド層１４は、半導体発光素子部分においてｐ型クラッド層として機能する。以上、主半導体領域２は周知のＭＯＣＶＤ法で形成される。
【００３５】
表面電極３は、ボンディングのパッド電極７と主半導体領域２との間に形成され、主半導体領域２の第２クラッド層１４に対して電気的に低抵抗（オーミック）接続されている。図１のように、第２クラッド層１４がｎ型半導体領域の場合、例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ−Ａｌ（チタン−アルミニウム）等の仕事関数の小さい金属又は合金で形成されている。また、第２クラッド層１４がｐ型半導体領域の場合、ＩＴＯ、Ｎｉ／Ａｌ／Ｎｉなどが用いられる。
【００３６】
パッド電極７は、Ａｌ（アルミニウム）ワイヤ又はＡｕ（金）ワイヤ等の導電体部材をボンディングすることができる寸法（面積及び厚み）を有している。このパッド電極７は活性層１３から発生した光の透過を完全に又はほぼ完全に阻止する厚みを有する。活性層１３から発生した光は主半導体領域２の表面側のボンディングパッド電極７によって覆われていない部分から外部に取り出される。
【００３７】
裏面電極４は、基板１の第２の主面６（他方の主面）に形成され、基板１のｎ＋層１１に対して電気的に低抵抗（オーミック）接続されている。例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ−Ａｌ（チタンーアルミニウム）等の仕事関数の小さい金属又は合金で形成されている。
【００３８】
本発明の半導体発光素子の動作について説明する。主半導体領域２に形成された発光素子に順方向電圧が印加されて活性層１３から光が発せられるように、表面電極３（又はパッド電極７）に＋、裏面電極４に−を印加する（表面電極３が裏面電極４よりも高い）と、表面電極３から第２クラッド層１４、活性層１３、第1クラッド層１２、ｎ―層９、第１の半導体領域（ｎ−チャネル層）８、ｎ＋層１１、裏面電極４へと電流が流れ、活性層１３から光が発せられる。
【００３９】
また、基板１には、第１の半導体領域８とｐ＋層１０との界面から空乏層が広がる。ただし、完全に空乏化しておらず、空乏層によって電流を制御する。
【００４０】
以上から、基板１は、主半導体領域２のエピタキシャル成長のための基板としての機能、及び半導体発光素子の支持体としての機能、表面電極３と裏面電極４との間の電流通路としての機能、パッド電極７で遮られる光を抑制するため電流をより全面に拡散させる機能を有する。
【００４１】
なお、基板１の横方向の電流拡がりを少なくする必要があるため、例えば、ｎ―層９の下面（ｎ―層９の下面が無い場合は基板１の表面からｐ＋層１０の狭さく層までの深さを１μｍ以下とする。この深さはパッド電極７の大きさ（通常Φ１００μｍ）の１／１００程度以下が好ましい。また、主半導体領域２を基板１の材料よりも横方向の電流広がりが少ない窒化物系半導体（例えばＩｎＧａＮ系）の方が、横方向の電流拡がりが少なく、電流狭さく効果が得られやすい。
【００４２】
主半導体領域２の横方向の電流拡がりが少なくするため、第２クラッド層１４の厚さは２．０μｍ以下とすることが好ましい。また、第２クラッド層１４の結晶性を考慮して０．５μｍ以上が好ましい。この第２クラッド層１４の厚さはパッド電極７の大きさ（通常Φ１００μｍ）の１／５０程度以下が好ましい。
【００４３】
次に、上述の実施例１に係る半導体発光素子１００の効果を説明する。
【００４４】
パッド電極７直下以外にも複数の電流阻止層となるｐ＋層１０を設けている。断面的に見て、パッド電極７直下のｐ＋層１０の幅をパッド電極７よりも広く、その外側のｐ＋層１０の幅をパッド電極７の幅よりも狭く形成している。
【００４５】
これにより、複数のｐ＋層１０（電流阻止層）に挟まれた所が電流通路となる。また、複数のｐ＋層１０の間隔を変更することで、面内の電流量をコントロールすることができる。
【００４６】
また、パッド電極７近傍に電流が多く流れることがなくなり、パッド電極７によって光が遮断されるのを抑制することができる。
【００４７】
また、基板１側に電流狭さく構造を作成することで、素子製造コストを抑えることができる。
【００４８】
上述のように、本発明を実施するための形態を記載したが、この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例が可能であることが明らかになるはずである。
【００４９】
複数の第２導電型の第２の半導体領域として、ｐ＋層１０（電流阻止層）を形成する場合、パッド電極７からの距離が遠い場所の電流阻止層同士の間隔が内側の電流阻止層同士の間隔に比べて広いことが好ましい。これにより、素子の面方向により均一に発光させることができる。
【００５０】
図２に示すように、実施例２として、第２導電型の第２の半導体領域であるｐ＋層１０が第１の主面５（一方の主面）上に形成されてもよい。これにより、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
図３に示すように、実施例３として、第２導電型の第２の半導体領域であるｐ＋層１０が主半導体領域２の上面に形成されてもよい。これにより、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１、基板
２、主半導体領域
３、表面電極
４、裏面電極
５、第１の主面（一方の主面）
６、第２の主面（他方の主面）
７、パッド電極
８、第１の半導体領域
９、ｎ―層
１０、ｐ＋層（第２の半導体領域）
１１、ｎ＋層
１２、第１クラッド層
１３、活性層
１４、第２クラッド層
１５、保護膜
１００、半導体発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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