(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面側の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第１の電極と、前記半導体積層部の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して設けられる第２の電極とからなり、前記第１および第２の電極が、平面形状が四角形状の発光素子チップの対角線上で対向する２隅にそれぞれ設けられ、かつ、平面形状で前記第１の電極の前記第２の電極と対向する部分の形状が平行移動した形状を有するように前記第２の電極が形成されると共に、前記対角線に関して対称になり、さらに前記第２の電極が平面形状で円形になるように前記第１および第２の電極が形成されてなる半導体発光素子。
【請求項２】
前記エッチングにより除去されずに残存する半導体積層部の第１導電形の半導体層および前記第２の電極の平面形状で対向する部分が同心円状の円弧になるように前記半導体積層部のエッチングおよび前記第２の電極の形成がなされ、かつ、前記半導体積層部の表面側に電流拡散層が設けられてなる請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の電極の平面形状が、前記第２の電極と対向する側に凹曲線を有する角型形状または三角形状に形成されてなる請求項１または２記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は青色系（紫外線から黄色）の光を発光するのに適したチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、基板上に半導体層が積層され、その表面側の第１導電形の半導体層と、積層された半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層にそれぞれ電極が設けられる半導体発光素子における、発光素子チップの面内での発光の均一性の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば青色系の半導体発光素子は、図３（ａ）にその発光素子チップ（以下、ＬＥＤチップという）の一例の概略図が示されるように、サファイアからなる絶縁性の基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層されて形成される。すなわち、サファイア基板２１上にたとえばｎ形のＧａＮがエピタキシャル成長されたｎ形層（クラッド層）２３と、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系（ＩｎとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体からなる活性層２４と、ｐ形のＧａＮからなるｐ形層（クラッド層）２５とからなり、その表面にｐ側（上部）電極２８が設けられ、積層された半導体層の一部がエッチングされて露出したｎ形層２３の表面にｎ側（下部）電極２９が設けられることによりＬＥＤチップが形成されている。
【０００３】
この構造のＬＥＤチップのｐ側電極２８およびｎ側電極２９に順方向の電圧が印加されることにより、電流はｐ側電極２８からｐ形層２５に広がりながら活性層２４を通ってｎ形層２３に進み、ｎ形層２３からｎ側電極２９に向かって流れる。この電流経路の活性層２４部でキャリアが再結合して発光する。なお、ｐ形層２５での電流を充分に広げてｐ形層２５の全体で流れるようにするため、ｐ形層２５の表面側にＮｉ-Ａｕの合金層などからなる電流拡散層（図示せず）が設けられることがある。
【０００４】
一方、前述のｐ側電極２８とｎ側電極２９の平面形状は、一般には図３（ｂ）〜（ｃ）に示されるような円形または矩形の形状に形成されている。そのため、ｐ側電極２８とｎ側電極２９との対向部分は、その外周が互いに離反する形状になっており、平面的に見た電流経路は、たとえばＡとＢとで示されるように、場所によってｐ側電極２８からｎ側電極２９に至る距離が異なる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、電流経路により電極間で距離が異なると、距離の大きい所ではその電気抵抗が大きくなる。とくにチッ化ガリウム系化合物半導体では、ＧａＡｓ系の化合物半導体に比べて半導体層の電気抵抗が大きいため、距離が大きくなると直列抵抗の増加が著しくなる。このチッ化ガリウム系化合物半導体層の抵抗の増加は、ドーパントが充分にドーピングされないｐ形層で顕著であるが、ｎ形層においてもＧａＡｓ系化合物半導体に比較すると大きい。そのため、ＬＥＤチップの面内で、半導体層の直列抵抗の小さいところ、すなわちｐ側電極２８とｎ側電極２９との対向部で距離の短いところがあると、そこに電流が集中して流れ、活性層を流れる電流もＬＥＤチップの面内で不均一になって、均一に発光しないという問題がある。
【０００６】
前述のように、ｐ形層の表面に電流拡散層が設けられることにより、両電極間の距離に拘らず抵抗の小さい電流拡散層を介してｐ形層の全体に広がりやすい。しかし、電流拡散層はその表面から光が取り出されるため、光を透過させる必要があり、光を透過させようとすると電気抵抗を充分に下げることができず、電気抵抗を充分に下げようとすると光が遮断されて、結局外部に光を取り出し得る割合の外部発光効率が低下する。さらに前述のｎ形層の電気抵抗についてはその厚さを厚くすることにより、直列抵抗を下げることができるが、チッ化ガリウム系化合物半導体層を厚くエピタキシャル成長するには非常に時間がかかり、コストアップの原因になると共に、完全に直列抵抗をなくすることができない。そのため、前述のように、ｐ側電極およびｎ側電極の対向する部分の距離が異なっていると、ＬＥＤチップの面内で均一に発光しないという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、半導体層の電気抵抗が比較的大きいチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる半導体発光素子においても、ＬＥＤチップの面内での電流が均一になり、全体で均一に発光する半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上に発光層を形成すべくチッ化ガリウム系化合物半導体が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面側の第１導電形の半導体層に接続して設けられる第１の電極と、前記半導体積層部の一部がエッチングにより除去されて露出する第２導電形の半導体層に接続して設けられる第２の電極とからなり、前記第１および第２の電極が、平面形状が四角形状の発光素子チップの対角線上で対向する２隅にそれぞれ設けられ、かつ、平面形状で前記第１の電極の前記第２の電極と対向する部分の形状が平行移動した形状を有するように前記第２の電極が形成されると共に、前記対角線に関して対称になり、さらに前記第２の電極が平面形状で円形になるように前記第１および第２の電極が形成されている。
【０００９】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。また、第１導電形および第２導電形とは、半導体の極性のｎ形およびｐ形のいずれか一方を第１導電形としたとき、他方のｐ形またはｎ形が第２導電形であることを意味する。
【００１０】
この構造にすることにより、ｐ側電極とｎ側電極との対向部分の距離がその電極の対向部分の場所に拘らず一定となり、両電極間の電流経路の長さは場所によって変化せず、電気抵抗も等しくなって、面内で均一に発光する。
【００１１】
前記エッチングにより除去されずに残存する半導体積層部の第１導電形の半導体層および前記第２の電極の平面形状で対向する部分が同心円状の円弧になるように前記半導体積層部のエッチングおよび前記第２の電極の形成がなされ、かつ、前記半導体積層部の表面側に電流拡散層が設けられていることが、第１導電形層のエッチング端部の真下の第２導電形半導体層から第２の電極に至る距離はどこでも等しく、第１導電形の半導体層に広がった電流が第２導電形の半導体層に進む場合に、第２導電形の半導体層の一部に電流が集中しないで全体に広がって流れるため好ましい。前記半導体積層部の表面側に電流拡散層が設けられていることにより、第１導電形の半導体層への電流拡散が行われやすい。
【００１２】
具体的には、前記第１の電極の平面形状が、前記第２の電極と対向する側に凹曲線を有する角型形状または三角形状に形成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。図１には、たとえば青色系の発光に適するチッ化ガリウム系化合物半導体が積層された本発明の半導体発光素子のチップの断面および平面の説明図が示されている。
【００１４】
本発明の半導体発光素子は、たとえば図１に示されるように、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）などからなる基板１の表面に発光層を形成する半導体積層部１０が形成されて、その表面側の第１導電形の半導体層（ｐ形層５）にｐ側電極（第１の電極）８が電気的に接続されている。また、半導体積層部１０の一部が除去されて露出する第２導電形の半導体層（ｎ形層３）にｎ側電極（第２の電極）９が電気的に接続して形成されている。本発明では、図１（ｂ）に平面図が示されるように、ｐ側電極８と、ｎ側電極９との対向部分が、平面形状で平行になるように両電極８、９が形成されていることに特徴がある。その結果、ｐ側電極８とｎ側電極９との距離はその対向部分のどこにおいても等しくなっている（Ａ＝Ｃ）。
【００１５】
このようなｐ側電極８およびｎ側電極９の形状は、電極金属を蒸着などにより成膜した後にレジスト膜を設けてパターニングをするか、予めレジスト膜を設けておいてパターニングをした後に電極金属を蒸着するリフトオフ法により所望のパターン形状に形成されるが、いずれの方法においてもマスクとするレジスト膜のパターニング形状により所望の形状が得られる。そのため、マスクのパターニングだけで図１に示されるように、両電極８、９の対向する部分が相互に平行になるように、それぞれの電極８、９の形状が形成される。
【００１６】
図１に示される例では、（ｂ）に平面図が示されるように、ｎ側電極９を形成するために積層された半導体層の一部がエッチングされて残存する半導体積層部１０のエッチングされたエッチング端部１０ａとｎ側電極９の前記端部１０ａとの対向部分も、平面形状で平行になるように半導体積層部のエッチング端部１０ａおよびｎ側電極９の形状が形成されている。その結果、ｐ形層５のｎ側電極９に最も近いエッチング端部１０ａとｎ側電極９との距離もその対向部分のどこにおいても等しくなっている。このエッチング端部１０ａとｎ側電極９の形状の対向部を等距離にするには、半導体積層部１０のエッチングの際のレジスト膜などのマスクのパターニングを前述の電極の形成と同様に平行（相似形状）になるようにパターニングをすることにより簡単に形成される。
【００１７】
半導体積層部１０は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層、クラッド層となるｎ形のＧａＮおよび／またはＡｌＧａＮ系（ＡｌとＧａの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ）化合物半導体の積層構造からなるｎ形層３、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれよりも小さくなる材料、たとえばＩｎＧａＮ系化合物半導体からなる活性層４、およびｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層および／またはＧａＮ層からなるｐ形層（クラッド層）５が、基板１上にそれぞれ順次積層されることにより構成されている。
【００１８】
この半導体発光素子を製造するには、たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、反応ガスおよび必要なドーパントガスを導入してｎ形層３を１〜５μｍ程度、活性層４を０.０５〜０.３μｍ程度、およびｐ形層５を０.２〜１μｍ程度、それぞれエピタキシャル成長する。その後、表面にレジスト膜を設け、パターニングをして塩素ガスなどによる反応性イオンエッチングにより、積層された半導体層の一部を図１に示されるように除去する。この際、図１（ｂ）に示されるように、エッチング端部１０ａとｎ側電極９との距離が、その対向部において等しくなるように形成するに場合には、このエッチングの際のマスクの形状がｎ側電極９の形状と対向部において平行（相似形）になるようにレジスト膜のパターニングをすることにより得られる。その後、たとえばリフトオフ法により、ＴｉとＡｕとを積層して両金属の積層構造からなるｐ側電極８を形成する。また同様に、たとえばリフトオフ法により、ＴｉとＡｌをそれぞれ積層してシンターすることにより両金属の合金層からなるｎ側電極９を形成する。このｐ側電極８およびｎ側電極９の形成の際に、前述のように、相互の対向部の平面形状が平行になるようにマスクのパターニングを行う。その結果、図１に示される構造の半導体発光素子が得られる。
【００１９】
本発明の半導体発光素子においては、ｐ側電極８から供給される電流は、ｐ形層５、活性層４、およびｎ形層３を経てｎ側電極９に向かって流れる。この電流の経路は、電気抵抗の小さいところを通って流れる。しかし、ｐ側電極８とｎ側電極９との対向する部分は、どこでもその距離が等しいため、電気抵抗もほぼ等しく、電流が一様に広がる。なお、両電極が対向する部分より離れた角部の方は距離が長くなり、電気抵抗も大きくなって、中心部より電流が減るものの、両側が同じ形状で両側の輝度の低下は同程度でありアンバランスの程度は余り目立たないと共に、抵抗が小さくて電流が集中するという現象は生じない。そのため、部分的に電流が集中して半導体層が劣化したり、部分的に輝度が明るい不均一な発光をしないで、ＬＥＤチップの全面で均等に発光する。
【００２０】
なお、積層された半導体層の一部がエッチングされて残存する半導体積層部１０のエッチング端部１０ａと、ｎ側電極９とはその平面形状での対向部において平行（等距離）になるように形成されていることにより、ｐ形層に広がった電流がｎ形層に達した後、ｎ側電極９に至る経路は、半導体積層部１０のエッチング端部１０ａからｎ側電極９を見る距離はエッチング端部１０ａのどの部分でも同じになる。そのため、ｐ側電極８からｎ側電極９への電流経路はエッチング端部１０ａのどの部分を経由してもエッチング端部１０ａの下部のｎ形層３からｎ側電極９に至る電気抵抗は同じになる。その結果、ｐ形層５から活性層４を経てｎ形層３に至る電流の経路は、ｎ形層３の一部に集中しないで、均等に分散して流れる。その結果、活性層４に分散して電流が流れ、ＬＥＤチップの全面で均等に発光し発光ムラがなくなり易くなる。このエッチング端部１０ａの形状とｎ側電極９の形状を対向部分において平行にすることは、とくに後述する電流拡散層が設けられる場合にｐ形層に電流が広がりやすいためその効果が大きい。
【００２１】
本発明は、以上のように、ｐ側電極８とｎ側電極９との対向部分の平面的距離が等しくなるように形成されているもので、その対向部分の形状には限定されない。すなわち、図２に示されるように、直線形状で対向する部分が平行に形成されていてもよい。また、前述の円弧以外の曲線形状でも、平面形状的にその対向部分が平行で等距離に形成されればよい。なお、図２において図１と同じ部分には同じ符号を付してある。
【００２２】
また、図１に示される例では、ｐ形層５上に直接ｐ側電極８が設けられていたが、電流拡散層（図示せず）を介してｐ側電極が設けられていても、ｐ側電極８とｎ側電極９とが対向する部分において平行になっておれば同様の効果が得られる。電流拡散層は、たとえばＮｉおよびＡｕがそれぞれ真空蒸着などにより積層されてシンターされることにより合金化され、２〜１００ｎｍ程度の厚さに形成されるもので、活性層４で発光する光を透過させる必要がある。この場合、光の透過と電気抵抗とは相反関係にあり、電気抵抗を無視できるほど完全に小さくすることができない（電気抵抗を小さくするため電流拡散層を厚くすると、光を透過しなくなる）。しかし、電流拡散層が設けられることにより、ある程度は電流拡散層を介して電流が拡散するため、ｐ形層５での電流の拡散が得られるからである。この場合、ｐ形層のエッチング端部１０ａとｎ側電極９との距離が等距離になるように半導体積層部１０がエッチングされることにより、一層ｎ形層９での電流の集中を防ぐことができる。
【００２３】
なお、図１に示される例では、ｎ形層３とｐ形層５とで活性層４が挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造の半導体発光素子でも同様である。また、積層される半導体層の材料も一例であって、その材料には限定されないが、チッ化ガリウム系化合物半導体の場合にその電気抵抗が大きいため、効果が大きい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、発光素子チップ内の電流分布が均一になるため、均一な発光をし、発光効率が向上する。さらに、電流が部分的に集中しないため、部分的に半導体層が劣化して寿命を短くしたり、不良に至らしめることがない。その結果、発光効率が低下しやすく、寿命が短くなりやすいチッ化ガリウム系化合物半導体においても、高特性で、高信頼性の半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面および平面説明図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の平面説明図である。
【図３】従来の半導体発光素子の一例の斜視および平面パターンの説明図である。
【符号の説明】
１    基板
３    ｎ形層
５    ｐ形層
８    ｐ側電極
９    ｎ側電極
１０    半導体積層部
【図１】
0003787207.tif 000002
【図２】
0003787207.tif 000003
【図３】
0003787207.tif 000004