JP5136398B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、III族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。本発明は、導電性の支持基板に、導電性の材料から成る層を介してｐ層側から接合され、光取り出し側をｎ層側とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。
本発明は異種基板上にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて発光素子構造を形成したのち、金属、はんだその他の導電層を介して導電性の支持基板を接着し、異種基板との界面近傍のIII族窒化物系化合物半導体の薄層をレーザ照射で分解して異種基板を取り除く、いわゆるレーザリフトオフ技術を用いた発光素子に適用できる。本発明はｐｎ接合又は活性層を挟んで上下にｎ型層とｐ型層を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。

特許文献１には、本発明者らによるいわゆるレーザリフトオフ技術を用いたIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法が開示されている。特許文献１に記載された発光素子の概略は、導電性の支持基板に、導電性の材料から成る層を介してｐ層側から接合され、光取り出し側をｎ層側とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。光取り出し側に設けるｎ層側の電極は、通常、透光性の電極ではなく、オーミック接触となる金属又は合金で形成される。この際、当該ｎ層に設けるｎコンタクト電極は、光取り出しに対する遮蔽物となるので、例えば線状として、且つ発光領域全体に、できるだけ均一に電流を供給する工夫が必要である。
特開２００７−１５８１２８

レーザリフトオフによって製造された、光取り出し側をｎ層側とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子においては、ｐ層とｐコンタクト電極との接触面積を大面積とすることが可能であり、且つ接触抵抗を主たる選択条件としてｐコンタクト電極の構成材料を選択できる。このため、他の構成のIII族窒化物系化合物半導体発光素子と比較して、レーザリフトオフによって製造された発光素子は、大電流を流す、例えば１ｍｍ角の平面形状の大型素子として有用である。ここにおいて、光取り出し側に設けるｎコンタクト電極が光取り出しに対する遮蔽物となることから、ｎコンタクト電極の設計に改善の余地があった。

そこで本発明の目的は、レーザリフトオフによって製造された、光取り出し側をｎ層側とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、ｎコンタクト電極が光取り出しの障害となる効果を抑制することである。

本発明の主たる特徴は、ｎコンタクト電極のうち、外部配線を接続するための大面積の領域が光取り出しに対する遮蔽物となるので、当該領域の直下のｎ層の全体が電流経路とはならないようにすることで、遮蔽物であるｎコンタクト電極直下からの発光を抑制し、供給電流に対する外部へ取り出し可能な発光の割合を向上させるものである。加えて、本発明は、遮蔽物となるｎコンタクト電極の平面形状を規定することで、発光層の実際の発光領域とすべき領域に均一に電流を供給し、発光領域を均一に発光させるものである。
請求項１に係る発明は、導電性の支持基板に、導電性の材料から成る層を介してエピタキシャル層がｐ層側から接合され、光取り出し側をｎ層側とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子であって、ｐ層とｐ層の外周面を残して接合するｐコンタクト電極と、ｐコンタクト電極の全体を覆い、外周面においてｐ層とオーミック接触することなく接合する導電層と、を有し、光取り出し側から見たｎ層の平面形状は矩形状であり、ｎ層に設けたｎコンタクト電極が、矩形状の２つの対角付近に設けられたボンディングパッドとして機能する２つの大面積部と、２つの大面積部から延伸されて設けられた線状部とからなり、２つの大面積部は、ｎ層と対向する少なくともその一部分が、ｎ層とはオーミック接触しておらず、２つの大面積部のｎ層とオーミック接触していない部分は、ｎ層と２つの大面積部との間に絶縁膜が形成された領域であり、絶縁膜は、ｎ層及びｐ層の外周側面を覆う保護膜と一体化されており、ｎコンタクト電極の線状部は、矩形枠状の外周線路部を有し、当該外周線路部の矩形の２頂点で２つの大面積部と接続されており、ｎコンタクト電極の線状部は、外周線路部に囲まれたｎ層の表面を分割するように形成された内側線路部を有し、ｐ層のｐコンタクト層と接触する側の面上であって、大面積部及び外周線路部の下方に位置する領域に高抵抗面が形成され、他の領域は低抵抗面となることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。
ボンディングパッドとは、その露出側である上面に外部配線を接続するための、大面積の導電体領域を言う。この際、外部配線を接続するために一般的なワイヤボンディングを用いる。その他にも、はんだその他の導電性材料を用いたり、或いはボンディングパッド領域に形成されたｎコンタクト電極の大面積部の上に、他の導電性材料を積層する場合もあり得る。本発明のｎコンタクト電極の大面積部はそのような積層構造を排除するものではない。
また、本発明のｎコンタクト電極は、線状部においても、単一の材料から成る電極に限られない。本発明における大面積部と線状部を有するｎコンタクト電極には、オーミック性の良い導電性材料と、他の導電性材料との多層構造を有するものが包含される。

請求項２に係る発明は、高抵抗面は、ｐ層の表面から高抵抗面を形成する領域にイオン打ち込みするか、又は、当該領域をプラズマ処理することにより形成されることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、ｎコンタクト電極の線状部は、内側線路部の幅が外周線路部の幅よりも小さいことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、ｎコンタクト電極の線状部の各部分は、平行に配置された線状部の他の部分との間隔をＬ、ｎ層の膜厚をｔとおいたとき、１０≦Ｌ／ｔ≦８０をみたす位置に配置されていることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、大面積部のｎ層とオーミック接触している部分は、幅を有する帯状又は屈曲した帯状であって、当該幅は、ｎコンタクト電極の外周線路部の幅と同じかそれ以上２倍以下であることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、外周線路部の矩形形状は、平行四辺形、菱形、長方形、又は正方形であることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、ｎコンタクト電極の平面形状は、ｎ層の平面形状の重心に対して点対称である、或いは、矩形形状のｎ層の、２つの大面積部が設けられていない２つの頂点を結ぶ線分に対して線対称であることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、導電性の支持基板とｐ層との間に形成された導電性の材料のうち、少なくとも１層ははんだ層であることを特徴とする。ここではんだ層とは、概ね４００度以下の温度で溶融し、或いは流動性を生ずる合金を言うものとする。
請求項９に係る発明は、異種基板から成るエピタキシャル成長基板に、少なくともｎ層を形成した後でｐ層を形成し、少なくともはんだ層を介して導電性の支持基板と接合した後、エピタキシャル成長基板をレーザリフトオフにより除去して製造されたことを特徴とする。異種基板とは、エピタキシャル層を構成するIII族窒化物系化合物半導体とは異なる材料から成る基板を言う。例えばサファイア基板がここで言う異種基板に含まれる。
請求項１０に係る発明は、ｎ層及びｐ層の外周側面は、光取り出し側であるｎ層側からｐ層側に対して広がる順テーパの傾斜面であることを特徴とする。順テーパとは、錘状物の側面のように、上側が水平断面積が狭く、下側が水平断面積が広いものを言う。

発光素子として、外部接続のためのボンディングパッド部は必須の構成ではあるが、当該領域に透光性でない電極を用いた場合、直下の発光領域からの光を完全に遮ってしまう。ボンディングパッド部全体をｎ層とオーミック接触させてしまうと、たとえボンディングパッド部として機能する大面積部の直下に発光領域となる部分が無い場合でも、電流がボンディングパッド部からｎ層に流れ、ｎ層を横伝搬して近傍の発光領域に集中してしまう。ボンディングパッド部にオーミック接触させない領域を設けることにより、発光素子に供給する電流を、発光領域全体に分配することが可能となる。
当該構成は、絶縁層でオーミック接触できない部分を形成し、ｎコンタクト電極の大面積部を、当該絶縁層の上と、オーミック接触させるｎ層とに跨がって形成すると良い。ここで、ｎコンタクト電極を当該２つの部分に跨がって形成する意図は、ボンディングパッド部として作用する大面積部と、そこから延伸されて設けられる線状部との断線を避けるためである。線状部を当該絶縁層の上と、オーミック接触させるｎ層とに跨がって形成してしまうと、当該絶縁層のエッジ部の段差により、断線する可能性が高くなる。大面積部が、絶縁層とｎ層とに跨がって形成されるならば、ｎコンタクト電極の、ｎ層上に設けられた大面積部とそこから延伸されて設けられた線状部との間に段差が生じないので、断線の可能性を抑制することができる。
III族窒化物系化合物半導体発光素子においては、製造後或いは製造工程中での、導電材料が付着することによるｐ層とｎ層の望まない電気接続を回避するため、エピタキシャル成長層の外周側面（断面）を絶縁膜で保護することが一般である。よって、当該保護膜を形成する際に、上記の、ｎコンタクト電極の大面積部とｎ層とのオーミック接触を阻止する領域にも当該保護膜を一体的に形成すると、製造工程が簡略化できる。

発光素子を矩形形状とすれば、エピタキシャル成長層も矩形形状とし、その最上面であるｎ層も矩形形状とすると良い。矩形形状の発光層領域に均一に電流を供給するには、エピタキシャル成長層の矩形形状の外周に合わせて、より小さい矩形枠状のｎコンタクト電極の線状部（外周線路部）を形成することが望ましい。例えば１ｍｍ角の正方形形状であれば、電極の線状部の外周線路部は０．５乃至０．９５ｍｍ角の正方形の外周枠状に形成すると良い。
外周線路部のみでは広い発光領域に供給される電流の均一化が困難であれば、当該外周線路部に囲まれた領域のｎ層の表面を分割するように内側線路部を形成して、外周線路部に囲まれた領域の内部にｎコンタクト電極を延伸すると良い。内側線路部は、例えば外周線路部が囲む矩形形状をより小さい矩形形状に分割するような、外周線路部の１辺に平行な直線、或いは格子状に設けると良い。格子状にすると、内側線路部の一部に断線等が生じても、当該断線点の両側迄の電流供給路が何重にも確保され、少なくとも当該断線点の両側迄は電流供給が確実に行われる。

内側線路部は、最終的にｎ層への電流供給の作用を果たすのみと考えても良いが、外周線路部は内側線路部への電流分配の作用も担っている。そこで、内側線路部の方が電流量が小さいと考えられるので、内側線路部の幅を外周線路部の幅よりも小さくして、内側線路部の光取り出し遮蔽効果を減らすと良い。例えば外周線路部の幅は内側線路部の幅の２０％〜８０％増しとすると良い。
ｎコンタクト電極の線状部の各部分は、平行に配置された線状部の他の部分との間隔をＬ、ｎ層の膜厚をｔとおいたとき、１０≦Ｌ／ｔ≦８０をみたす位置に配置すると良い。Ｌ／ｔが１０を下回ると、例えば数μｍ乃至数十μｍの幅を有する内側線路部を、狭い間隔で多数平行に配置することとなり、ｎコンタクト電極全体の光取り出し遮蔽効果が大きくなりすぎてしまう。Ｌ／ｔが８０を上回ると、ｎコンタクト電極の隣り合う線状部からそれらの中央部のｎ層への電流供給が不十分となり、良好に発光させるべき発光層に、発光不良な領域を生じてしまう。２０≦Ｌ／ｔ≦６０とすると尚好ましい。

大面積部のｎ層とオーミック接触している部分は、幅を有する帯状又は屈曲した帯状であって、当該幅は、ｎコンタクト電極の外周線路部の幅と同等以上２倍以下とすると良い。平面形状が矩形形状の外周線路部の２頂点にボンディングパッドとなる大面積部を配置する場合、その大面積部の外周は、言わば外周線路部の延長部分であり、外周線路部同様に電流供給部分として機能させることが好ましい。
外周線路部よりも当該大面積部のｎ層とオーミック接触している部分の幅が狭いと、外周線路部との断線の恐れが生ずる。一方、外周線路部の幅の２倍以上とすると、ボンディングパッド部からｎ層を通じて近傍の発光領域に集中して電流が流れるようになり、好ましくない。

ｎコンタクト電極は平面形状が線対称又は点対称とし、２つのボンディングパッドとして機能するｎコンタクト電極の大面積部から、同等に電流が供給されるように設計することが好ましい。
本発明はレーザリフトオフにより製造される発光素子に特に有効である。

本発明は、レーザリフトオフにより製造される、III族窒化物系化合物半導体発光素子に適用できるので、当該レーザリフトオフ技術を適用可能な範囲で、公知の任意の材料を選択し、公知の任意の製造方法を採用しうる。

ｎコンタクト電極は、少なくともIII族窒化物系化合物半導体から成るｎ層に接触する部分にｎ層とのオーミック抵抗が低い導電材料を用いれば良く、例えばアルミニウム（Ａｌ）と他の金属との二重層又はそれ以上の多重層とすると良い。この場合、ｎ層とのオーミック接触を望まない部分においてはアルミニウム（Ａｌ）を用いず、その上に形成する厚膜金属層のみを形成するものも本願発明に包含される。

ｎコンタクト電極のうち、ボンディングパッド部として機能する大面積部の平面形状と面積は任意に設計できる。円形、楕円形、矩形、その他任意である。例えば一辺が５０μｍ以上の方形として良い。この場合、方形の大面積部の一辺の最大値は発光素子全体の大きさに依存する。
ｎコンタクト電極のうち、線状部の幅は、５μｍ以上４０μｍ以下とすると良い。５μｍ未満の幅の線状のｎコンタクト電極を形成することは技術的に困難が伴うほか、製造後、使用中等における断線の可能性が高くなる。４０μｍを超える幅にすると、光取り出し遮蔽効果が大きくなりすぎ、好ましくない。
当該線状部において、ボンディングパッド部として機能する大面積部と直接接続される枠状の外周線路部の幅は、内側線路部の幅よりも大きくとることが望ましい。例えば外周線路部の幅を内側線路部の幅の２０％〜８０％増しとする。例えば外周線路部の幅は８μｍ以上４０μｍ以下とすることが好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下とすることがより好ましい。また、内側線路部の幅は５μｍ以上３０μｍ以下とすることが好ましく、７μｍ以上２５μｍ以下とすることがより好ましい。
外周線路部の平面形状を方形の枠状とし、内側線路部をその枠内を矩形状又は格子状に分割する複数個の線分として形成する等、ｎコンタクト電極の線状部を１群又は２群の平行線路群で形成する際、それぞれ平行な隣接する２つの線状部の間隔Ｌは、５０μｍ以上とすると良い。５０μｍ未満であると線状部を多数設ける結果、当該線状部の光取り出し遮蔽効果が大きくなり過ぎる。隣接する２つの線状部の間隔Ｌは、７０μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましく、１００μｍ以上３００μｍ以下とすることがより好ましい。

ｎコンタクト電極のｎ層とオーミック接触を望まない部分の形成方法は、絶縁膜をそれらの間に挿入する方法の他、オーミック抵抗が高い、或いはショットキー接続となる金属その他の導電層をそれらの間に挿入する方法を採用しても良い。或いは、ｎコンタクト電極とｎ層とをオーミック接触させる部分に上記アルミニウム（Ａｌ）等のｎ層とのオーミック抵抗が低い導電材料を部分的に用いても良い。この場合は、ｎコンタクト電極とのオーミック接触を望まないｎ層部分には、オーミック抵抗が低い導電材料を設けないことになる。更にはｎ層の、ｎコンタクト電極とのオーミック接触を望まない領域のみに、プラズマ処理、或いはイオン打ち込み等の処理をして、この領域においてｎコンタクト電極とのオーミック性を除去する方法を採用しても良い。

図１は本発明の具体的な一実施例に係る発光ダイオード（III族窒化物系化合物半導体発光素子）１０００の構成を示す断面図、図２は発光ダイオード１０００の、図１とは異なる位置での断面図である。図１と図２は、のちに示す平面図である図７において、各々Ｉ−Ｉ及びII−IIとして示した位置での断面図となっている。
図１及び図２の発光ダイオード１０００は、ｐ型シリコン基板である導電性の支持基板２００の表面に、支持基板２００に近い方から、複数の金属の積層から成る導電層２２２、はんだ層（ソルダ層）５０、複数の金属の積層から成る導電層１２２、ｐコンタクト電極１２１、主としてｐ型のIII族窒化物系化合物半導体層の単層又は複層であるｐ型層１２、発光層１５、主としてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層の単層又は複層であるｎ型層１１、ｎコンタクト電極である外周線路部１３０ｆ、内側線路部１３０ｇ及び大面積部１３０ｐの積層構造を有する。
発光層１５は例えばＭＱＷ構造から成るが、図１及び図２では単に太破線で示した。
ｎコンタクト電極である外周線路部１３０ｆ、内側線路部１３０ｇ及び大面積部１３０ｐは図示しない位置で連通して一体化したｎコンタクト電極を形成しており、大面積部１３０ｐにワイヤボンディングすることにより、外周線路部１３０ｆ、内側線路部１３０ｇ及び大面積部１３０ｐは略同一の電位となる。図１においては外周線路部１３０ｆと内側線路部１３０ｇを示し、図２においては大面積部１３０ｐのみを示した。
また、ｐコンタクト電極１２１又は導電層１２２と接触するｐ型層１２の面は、高抵抗面１２ｓｒ、低抵抗面１２ｓ−ｓｑ及び１２ｓ−Ｌ、及びオーミック接触しない外周面１２ｓｆに区分される。外周面１２ｓｆにおいてはｐコンタクト電極１２１が存在せず、ｐ型層１２は直接導電層１２２と接触している。これらのうち高抵抗面１２ｓｒを図１乃至図４では太線で示すこととする。
ｐ型層１２の高抵抗面１２ｓｒは、ｐ型層１２を形成したのち、当該領域のみにイオン打ち込み又はプラズマ処理を実施することで形成された。レーザリフトオフを用いて発光ダイオード１０００を形成する場合、エピタキシャル成長基板にIII族窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させてｐ型層１２を最上層とできる。この露出面であるｐ型層１２の表面に部分的にイオン打ち込み又はプラズマ処理を実施する。このようにして最終的に図１及び図２に示すように、ｐ型層１２とｐコンタクト電極１２１との接触面側に、高抵抗面１２ｓｒを形成することが可能である。

尚、請求項の記載と本実施例の構成を対比した場合、請求項１の「導電性の材料から成る層」に対応するものは、導電層２２２、はんだ層（ソルダ層）５０、導電層１２２及びｐコンタクト電極１２１である。
尚、ｐ型層１２、発光層１５及びｎ型層１１の外周側面は、絶縁性保護膜４０で覆われている。また、ｐ型層１２、発光層１５及びｎ型層１１（以下、合わせてエピタキシャル層１０と言うことがある）の支持基板２００の表面に平行な水平断面積は、下側であるｐ型層１２の支持基板側２００側から、上側であるｎ型層１１のｎコンタクト電極１３０側に向って徐々に減少する。このため、絶縁性保護膜４０で覆われたエピタキシャル層１０の外周側面は、ｎコンタクト電極１３０が形成された上側から、支持基板側２００側である下側に向って広がるような、傾き（順テーパ）を形成している。
尚、ｎ型層１１には、光取り出し効率を向上させるために、微細な凹凸を有する表面１１ｓが形成されている。
また、支持基板２００の逆の面（裏面）には、複数の金属の積層から成る導電層２３２、はんだ層（ソルダ層）２３５が形成されている。

本実施例においては、各層は次のように構成されている。
複数の金属の積層から成る導電層２２２は、支持基板２００側から、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）の順に積層されたものである。複数の金属の積層から成る導電層２３２は、支持基板２００側から、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）の順に積層されたものである。尚、ニッケル（Ｎｉ）層は、はんだ層（ソルダ層）５０に含有されているスズ（Ｓｎ）の拡散を防ぐものである。
はんだ層（ソルダ層）５０と２３５は、いずれも金とスズとの合金（Ａｕ−Ｓｎ）から成るはんだで形成されている。尚、はんだ層（ソルダ層）２３５表面には、スズの酸化を防止するための薄膜の金（Ａｕ）層が形成されている。
ｐコンタクト電極１２１は、銀（Ａｇ）合金で形成されている。
複数の金属の積層から成る導電層１２２は、ｐ型層１２及びｐコンタクト電極１２１に近い側から、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）の順に積層されたものである。
ｎコンタクト電極１３０は、ｎ型層１１側から、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）の順に積層された積層構造から成る。
絶縁性保護膜４０は窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）から成る。
絶縁性保護膜４０が、請求項に言う絶縁膜と保護膜の両方に該当する。

図３は、図１の発光ダイオード１０００の断面図のうち、ｎコンタクト電極の外周線路部１３０ｆ又は内側線路部１３０ｇの１つから、ｐコンタクト電極１２１までの積層構造を拡大して示した断面図である。
線状の外周線路部１３０ｆ又は内側線路部１３０ｇはその長手方向が図３の紙面に垂直方向に形成されているものとする。線状の外周線路部１３０ｆ又は内側線路部１３０ｇの図３内で左右方向の幅（線幅）をｗｆ又はｗｇとする。これらと相対する位置のｐコンタクト電極１２１は、ｐ型層１２の表面に形成された高抵抗面１２ｓｒのために、ｐ型層１２とはオーミック接触されないか、極めて接触抵抗が高くなる。高抵抗面１２ｓｒは、線状の外周線路部１３０ｆ又は内側線路部１３０ｇの長手方向に合わせて長手方向を有する、幅ｗｆ＋２ｄ又はｗｇ＋２ｄの矩形状領域である。
ｐ型層１２は比較的抵抗が高いため、高抵抗面１２ｓｒにより電流が阻止されると、高抵抗面１２ｓｒに対応して上方の発光層１５の幅ｗｆ＋２ｄ又はｗｇ＋２ｄの領域には電流が流れず当該領域は非発光領域１５ｎＬＥとなる。高抵抗面１２ｓｒにより電流が阻止されない発光層１５の領域は、実際に発光する発光領域１５ＬＥとなる。

ここで、図３の断面図で、高抵抗面１２ｓｒの右端点ＥＰ−１２ｓｒ、その直上にある発光層１５の、非発光領域１５ｎＬＥと発光領域１５ＬＥの境界上の点ＥＰ−ＬＥＬ（発光できる端点）、線状の外周線路部１３０ｆ又は内側線路部１３０ｇのｎ型層１１の表面１１ｓとの接触面のうちの右端点ＥＰ−１３０を考える。点ＥＰ−ＬＥＬと点ＥＰ−１３０を結ぶ線分が、図３面内の上下方向（発光ダイオード１０００の基板面に垂直方向）と成す角をθとおき、微細な凹凸面である表面１１ｓを有するｎ型層１１の膜厚をｔとおくと、ｔａｎθ＝ｄ／ｔである（図３）。
ｎ型層１１の膜厚をｔが、２μｍ乃至１０μｍ、好ましくは３μｍ乃至６μｍであり、線状の外周線路部１３０ｆの水平方向の幅ｗｆが８μｍ以上４０μｍ以下、内側線路部１３０ｇの水平方向の幅ｗｇが５μｍ以上３０μｍ以下とすべきことを考慮すると、ｄはｔ／２以上５ｔ以下が良いと考えられる。１０μｍ以下の膜厚のｎ型層１１は、電流経路が長いほど抵抗が大きい。また、当該薄膜のｎ型層１１内部の電流経路のうち横方向の距離（最低ｄ）が大きすぎないようにすべきで、この点でｄの最適範囲は膜厚ｔとの比例関係で示しうる。
ｄの最小値は、発光領域１５ＬＥの端点ＥＰ−ＬＥＬからの光のうち、線状の外周線路部１３０ｆ又は内側線路部１３０ｇにより遮られる角度範囲が大き過ぎないように設定されるべきである。ｄ＝ｔ／２ではｔａｎθ＝ｄ／ｔ＝１／２でθは約２６．６度、即ち、発光領域１５ＬＥの端点ＥＰ−ＬＥＬからの発光のうち、基板面に垂直上向きを角度０とすると、約２６．６度を超える角度の光がｎコンタクト電極である線状の外周線路部１３０ｆ又は内側線路部１３０ｇにより遮られる。これよりも遮蔽される角度範囲が大きいと光取り出し効率が小さくなる。また、ｎコンタクト電極（１３０ｆ、１３０ｇ）の形成は、ｐコンタクト電極１２１の配置に位置合わせする必要がある。この際、ｐコンタクト電極１２１は、エピタキシャル層１０を通して認識する必要があり、精度の良い位置合わせができないと、合わせ位置がずれてしまう。発光領域１５ＬＥ上にｎコンタクト電極（１３０ｆ、１３０ｇ）が形成されないようにするためには、エピタキシャル層１０の厚みに応じた適切なｄの最小値が存在する。エピタキシャル層１０の膜厚の変化はほとんどがｎ型層１１の膜厚ｔの変化によるものであり、種々の膜厚での位置合わせを実施したところ、ｄ≧ｔ／２とすれば確実に発光領域１５ＬＥ上にｎコンタクト電極（１３０ｆ、１３０ｇ）が形成されないことが分かった。
一方、ｄを余り大きくすると、ｎ型層１１中で横伝搬する電流成分が多くなってしまい、ｎ型層１１のシート抵抗成分による電圧降下によって、駆動電圧が上昇してしまう。ｄの最大値を５ｔとすることにより、この電圧上昇を０．１Ｖ未満に抑えることができる。また、ｄが大き過ぎると、発光領域１５ＬＥの面積が小さくなるため、好ましくない。

図４は、図２の発光ダイオード１０００の断面図のうち、ｎコンタクト電極の、ワイヤボンディングのためのボンディングパッド部として機能する大面積部１３０ｐから、導電層１２２までの積層構造を拡大して示した断面図である。
ｎコンタクト電極の一部である大面積部１３０ｐは例えば平面形状が矩形形状に形成されており、向かい合う１組の２辺が図４の面内の左右方向に平行で、他の１組の２辺が図４の紙面に垂直方向に形成されているものとする。図４の大面積部１３０ｐは図３の線状の外周線路部１３０ｆと図示しない位置で連通され、更に図３の線状の外周線路部１３０ｆは図３の線状の内側線路部１３０ｇと図示しない位置で連通されている。即ち、図４の大面積部１３０ｐは図３の線状の外周線路部１３０ｆ及び内側線路部１３０ｇと一体となってｎ型層１１に対するｎコンタクト電極を形成している。これはのちに図６で示す。

図４のように、ｎコンタクト電極の一部である大面積部１３０ｐは、下面がｎ型層１１の微細な凹凸面である表面１１ｓに接触している部分であるコンタクト領域１３０ｐ−ｃと、ｎ型層１１との間に絶縁性保護膜４０が挿入されている部分である非コンタクト領域１３０ｐ−ｉとから成る。大面積部１３０ｐのｎ型層１１の表面１１ｓに接触している部分であるコンタクト領域１３０ｐ−ｃの幅をｗｐとおく。大面積部１３０ｐのｎ型層１１の表面１１ｓに接触している部分であるコンタクト領域１３０ｐ−ｃは、平面形状が幅ｗｐの帯状の領域で、その長手方向が図４の紙面に垂直であるものとする。
大面積部１３０ｐのｎ型層１１の表面１１ｓに接触している部分であるコンタクト領域１３０ｐ−ｃは、図３に示した、ｎ型層１１の表面１１ｓに接触している線状の外周線路部１３０ｆと図示しない位置で接続されている。これはのちに図６で示す。ここで、当該接続部分の断線を防ぐため、大面積部１３０ｐのコンタクト領域１３０ｐ−ｃの幅ｗｐは、線状の外周線路部１３０ｆの幅ｗｆ以上の幅とする必要がある。一方、大面積部１３０ｐのコンタクト領域１３０ｐ−ｃの幅ｗｐは、発光領域１５ＬＥからの発光の遮蔽領域である。
そこで、ｐ型層１２の高抵抗面１２ｓｒを、図４のように、ｐ型層１２とｐコンタクト電極１２１との界面においてｐコンタクト電極１２１の右端点ＥＰ−Ｒから、点ＥＰ−Ｌ迄形成する。高抵抗面１２ｓｒは、ｐ型層１２とｐコンタクト電極１２１との界面において、大面積部１３０ｐの直下の領域から幅ｄｐだけ外側に広がって形成されている。ｐコンタクト電極１２１からの電流経路はｐ型層１２の高抵抗面１２ｓｒにおいて遮られるので、電流は低抵抗面１２ｓ−Ｌから直上方向のみに向う。こうして、発光層１５のうち、絶縁性保護膜４０の直下に当たる部分１５ｎＬＥ４０、ｎコンタクト電極の大面積部１３０ｐのｎ型層１１の表面１１ｓに接触している部分の幅ｗｐに対向する部分１５ｎＬＥ１３０に加えて、更に幅ｄｐ（１５ｎＬＥ１２ｓｒ）だけ外側に拡張して非発光領域１５ｎＬＥを形成する。
図４におけるｐ型層１２の高抵抗面１２ｓｒのうち、図４で示す幅ｄｐは、図３で説明した線状の外周線路部１３０ｆ又は内側線路部１３０ｇに対向するｐ型層１２の高抵抗面１２ｓｒの幅ｗｆ＋２ｄまたはｗｇ＋２ｄと同様の理由から、最大値は５ｔとすべきである。ここでｔはｎ型層１１の平均膜厚である。最小値はｄとすれば良い。こうすることによりｎコンタクト電極の一部である大面積部１３０ｐのｎ型層１１の表面１１ｓに接触している部分を、線状の外周線路部１３０ｆ又は内側線路部１３０ｇと同等に機能させることが可能となる。
また、図４におけるｐ型層１２の高抵抗面１２ｓｒのうち、大面積部１３０ｐのｎ型層１１の表面１１ｓに接触している部分であるコンタクト領域１３０ｐ−ｃの幅ｗｐの最大値は、接続される線状の外周線路部１３０ｆの幅ｗｆの２倍とすると良い。これはボンディングパッド部の電流がｎ層に流れ、ｎ層を横伝搬して近傍の発光領域に集中してしまうことを避けるべきだからである。

以上は断面図を用いて実施例１の特徴を説明したものである。図５乃至図７で、平面図を示して実施例１を更に説明する。

図５は、実施例１に係る発光ダイオード１０００のｐ型層１２のｐコンタクト電極１２１と接触する側における、高抵抗面１２ｓｒ、低抵抗面１２ｓ−ｓｑ及び１２ｓ−Ｌ、及びｐコンタクト電極１２１とオーミック接触しない外周面１２ｓｆの区分を示す平面図である。

図５の１辺が９００μｍの正方形ＡＢＣＤは、発光ダイオード１０００の外周を示すものであある。
図５の１辺が８００μｍの正方形ＥＦＧＨは、発光ダイオード１０００のｐ型層１２の外周を示すものである。
図５の１辺が６８０μｍの正方形ＰＱＲＳは、ｐコンタクト電極１２１の外周を示すものであである。
図５において、６点Ａ、Ｅ、Ｐ、Ｒ、Ｇ、Ｃは一直線上に配置し、６点Ｂ、Ｆ、Ｑ、Ｓ、Ｈ、Ｄは一直線上に配置している。
このことは図６及び図７においても同様である。また、図５乃至図７において、示されている平面図は、直線ＡＣについて線対称であり、且つ直線ＢＤについて線対称である。また、図５乃至図７において示されている平面図は、直線ＡＣと直線ＢＤの交点に対して、点対称である。

まず、図５においてｐ型層１２は正方形ＥＦＧＨの内部領域である。これは次の４つに区分されている。
まず、正方形ＰＱＲＳの内部領域で示されるｐコンタクト電極１２１と接触しない領域である外周面１２ｓｆが存在する。これは正方形ＥＦＧＨの内部で正方形ＰＱＲＳの外部であり、幅６０μｍの枠状の領域である。
次に、ｐコンタクト電極１２１と接触するｐ型層１２の領域のうち、２箇所の低抵抗面１２ｓ−Ｌの形状は次の通りである。この形状は、長辺５６０μｍ、短辺７０μｍの矩形２個を、各々の端部である一辺７０μｍの正方形部分で重ねたＬ字状領域であり、正方形ＰＱＲＳの内部の２箇所、頂点Ｑに屈曲部の外部頂点を置いた領域と、頂点Ｓに屈曲部の外部頂点を置いた領域とに配置されている。
ｐコンタクト電極１２１と接触する領域のうち、９箇所の低抵抗面１２ｓ−ｓｑの形状は次の通りである。これは９箇所に配置された１辺が１３０μｍの正方形の領域であって、それら９個を隣と間隙３５μｍ離して配置される。９個の低抵抗面１２ｓ−ｓｑは、全て１３０×３＋３５×２＝４６０μｍを一辺とする正方形領域の内部に配置される。上述した通り、９個の低抵抗面１２ｓ−ｓｑは、図５内部で、直線ＡＣについて線対称であり、且つ直線ＢＤについて線対称であるように配置される。
こうして正方形ＰＱＲＳの内部領域の残りの領域が、高抵抗面１２ｓｒである。高抵抗面１２ｓｒは、頂点Ｐ及び頂点Ｒに頂点を有する略正方形の領域と、幅４０μｍと幅３５μｍの８本の帯状領域とが重なって形成されている。
こうして、図５で、右上から左下へのハッチングで示した、低抵抗面１２ｓ−Ｌと低抵抗面１２ｓ−ｓｑを介して、ｐコンタクト電極１２１からｐ型層１２に電流が流れる。ｐ型層１２は比較的高抵抗であり、５００ｎｍ以下の膜厚であるので、ｐ型層１２から発光層１５迄は、電流経路は基板面に垂直方向、即ち図１乃至図４の面内上下方向のみであると考えて良い。すると、発光層１５のうち、実際に発光する発光領域１５ＬＥの形状は、図５で右上から左下へのハッチングで示した、低抵抗面１２ｓ−Ｌと低抵抗面１２ｓ−ｓｑの領域と一致すると考えて良い。

図６は、実施例１に係る発光ダイオード１０００のｎ型層１１の表面１１ｓ、絶縁性保護膜４０、ｎコンタクト電極を形成する大面積部１３０ｐ、外周線路部１３０ｆ及び内側線路部１３０ｇの配置を示した平面図である。ここでｎコンタクト電極を形成する大面積部１３０ｐのうちｎ型層にオーミック接触する部分と、外周線路部１３０ｆ及び内側線路部１３０ｇについては左上から右下へのハッチングで示し、絶縁性保護膜４０を形成した部分については右上から左下への７５度のハッチングで示した。

図６においては、正方形ＥＦＧＨは、発光ダイオード１０００のｎ型層１１の外周を示すものであって、１辺が８００μｍの正方形である。尚、発光ダイオード１０００は、図１及び図２に示す通り、エピタキシャル層１０が順テーパを有するものであるが、図５乃至図７ではテーパを無視し、ｎ型層１１の外周とｐ型層１２の外周が一致するものとして平面図を作成している。
実際、エピタキシャル層の総膜厚が２〜１０μｍであって、９０度を垂直としてテーパの傾きが７５度である場合の、ｎ型層１１の最上面の外周とｐ型層１２の最下面の外周を考えてみる。ｐ型層１２の最下面が１辺が８００μｍの正方形ＥＦＧＨであるとしてｎ型層１１の最上面の正方形を正確に記載するなら、当該１辺が８００μｍの正方形ＥＦＧＨの内側に間隙０．５３〜２．８μｍで４辺を記載することとなる。

絶縁性保護膜４０の幅は、ｎコンタクト電極を形成する大面積部１３０ｐの下層に位置する部分以外は本願発明では問題とならないので、説明しない。
ｎコンタクト電極を形成する大面積部１３０ｐは２箇所形成され、１辺が１００μｍの正方形領域であって、一辺が６８０μｍの正方形ＰＱＲＳの内部領域に、頂点Ｐ及びＲを各々共有するように配置される。ｎコンタクト電極を形成する２箇所の大面積部１３０ｐのうち、下層に絶縁性保護膜４０が形成される、２箇所の非コンタクト領域１３０ｐ−ｉは、１辺が７０μｍの正方形領域であって、頂点Ｐ及びＲを各々共有するように配置される。大面積部１３０ｐの非コンタクト領域１３０ｐ−ｉを除いた、幅ｗｐが３０μｍのＬ字状領域は、ｎ型層１１の表面１１ｓとオーミック接触するコンタクト領域１３０ｐ−ｃである。
ｎコンタクト電極を形成する外周線路部１３０ｆは、幅ｗｆが２０μｍの正方形の枠状であって、その外周の正方形の一辺は５２０μｍ、内周の正方形の一辺は４８０μｍである。当該正方形の枠の２箇所の頂点である一辺が２０μｍの正方形部分は、ｎコンタクト電極を形成する大面積部１３０ｐと重なっている。
内側線路部１３０ｇは幅ｗｇが１５μｍの４本の帯状であって、正方形の枠状の外周線路部１３０ｆに囲まれたの内部領域を９つの領域に分割している。外周線路部１３０ｆと内側線路部１３０ｇに囲まれた９つの領域は、いずれも１辺が１５０μｍの正方形である。
図６でハッチングを施されていない部分は、ｎ型層１１の露出した表面１１ｓである。
また、本実施例では図６のように、ｐコンタクト電極１２１の形成範囲を示す正方形ＰＱＲＳの外部には、ｎコンタクト電極のｎ型層１１とのオーミック接触領域が無い設計としたが、これは本願発明を限定するものではない。ｎコンタクト電極のｎ型層１１とのオーミック接触領域の範囲は、下方に形成されるｐコンタクト電極１２１の平面図における形成範囲を超えても良い。

図７は、図５で右上から左下へのハッチングで示した、低抵抗面１２ｓ−Ｌ及び低抵抗面１２ｓ−ｓｑの領域と、図６で左上から右下へのハッチングで示した、ｎ型層１１とオーミック接触する、大面積部１３０ｐのコンタクト領域１３０ｐ−ｃ、外周線路部１３０ｆ及び内側線路部１３０ｇを重ねて示した平面図である。
外周線路部１３０ｆ及び内側線路部１３０ｇと、低抵抗面１２ｓ−Ｌ及び低抵抗面１２ｓ−ｓｑの領域とは、平面図においてｄ＝１０μｍ幅の帯状又は方形の枠状の間隙を有している。また、大面積部１３０ｐのコンタクト領域１３０ｐ−ｃと低抵抗面１２ｓ−Ｌとは、平面図においてｄｐ＝２０μｍ幅の帯状の間隙を有している。
図７でＩ−Ｉと示した位置での断面図が図１であり、図７でII−IIと示した位置での断面図が図２である。

図７に示した各数値と、請求項に示した数値限定との対応は次の通りである。
内側線路部１３０ｇの１５μｍの幅ｗｇは外周線路部１３０ｆの２０μｍの幅ｗｆよりも小さい。
外周線路部１３０ｆ及び内側線路部１３０ｇの、互いに平行な隣り合う部分の間隔Ｌは１５０μｍである。ｎ型層１１の厚さｔが２μｍであればＬ／ｔ＝７５であり、厚さｔが１０μｍであれはＬ／ｔ＝１５である。
大面積部１３０ｐのコンタクト領域１３０ｐ−ｃはＬ字状領域であって幅ｗｐは３０μｍである。これは外周線路部１３０ｆの２０μｍの幅ｗｆ以上であって２ｗｆ以下である。

実施例１では、図５に示すように、高抵抗面１２ｓｒのうち、幅３５μｍの４本の帯状の領域で分割された、９つの低抵抗面１２ｓ−ｓｑを配置する構成としたが、高抵抗面１２ｓｒのうち当該幅３５μｍの４本の帯状領域を低抵抗面にしても良い。これを実施例２として示す。
図８は、実施例２に係る発光ダイオード２０００のｐ型層１２のｐコンタクト電極１２１と接触する側における、高抵抗面１２ｓｒ’、低抵抗面１２ｓ−ｓｑ’及び１２ｓ−Ｌ、及びｐコンタクト電極１２１とオーミック接触しない外周面１２ｓｆの区分を示す平面図である。
図８の図５との違いは、低抵抗面１２ｓ−ｓｑ’が一辺が４６０μｍの１個の正方形領域であること、これに応じて高抵抗面１２ｓｒ’に格子状の領域が無いことである。その他は図５と全く同様であり、平面図が直線ＡＣ及びＢＤについて各々線対称であることも同様である。例えば低抵抗面１２ｓ−ｓｑ’と低抵抗面１２ｓ−Ｌとは高抵抗面１２ｓｒ’の幅４０μｍの帯状の領域で隔てられている。

このような実施例２に係る発光ダイオード２０００の断面図を図９及び図１０に示す。
図９に示す通り、実施例２に係る発光ダイオード２０００は、内側線路部１３０ｇの下方向に、ｐ型層１２の高抵抗面１２ｓｒ’は存在しない。この部分は１つの連続した低抵抗面１２ｓ−ｓｑ’となっている。
図１０は実質的に図２と同様である。
実施例２に係る発光ダイオードは、内側線路部１３０ｇの幅ｗｇが２０μｍ以下の時に有効である。好ましくは内側線路部１３０ｇの幅ｗｇを１０μｍ以下とすると良い。

上記実施例１及び実施例２では、発光層１５に非発光領域１５ｎＬＥを設けるため、ｐコンタクト電極１２１と接するｐ型層１２表面の所望の領域を高抵抗面１２ｓｒ又は１２ｓｒ’とする構成としたが、ｐ型層１２にｐコンタクト電極１２１を形成する前に、所望の領域に例えば絶縁膜や接触抵抗が高い材料から成る膜を形成しても良い。この場合も上記実施例と同様の効果を有する。

本発明の具体的な一実施例に係る発光ダイオード１０００の構成を示す断面図。 発光ダイオード１０００の構成を示す別の位置での断面図。 図１の断面図の一部拡大図（断面図）。 図２の断面図の一部拡大図（断面図）。 発光ダイオード１０００のｐ型層１２の高抵抗面、低抵抗面及び外周面の配置を示す平面図。 発光ダイオード１０００のｎコンタクト電極を形成する大面積部１３０ｐ、外周線路部１３０ｆ及び内側線路部１３０ｇの配置を示した平面図。 図５のｐ型層１２の低抵抗面と、図６のｎ型層１１とのオーミック接触領域を重ねて示した平面図。 本発明の具体的な他の実施例に係る発光ダイオード２０００のｐ型層１２の高抵抗面、低抵抗面及び外周面の配置を示す平面図。 発光ダイオード２０００の構成を示す断面図。 発光ダイオード２０００の構成を示す別の位置での断面図。

１０００、２０００：発光ダイオード（III族窒化物系化合物半導体素子）
１１：ｎ型層
１２：ｐ型層
１２ｓｒ，１２ｓｒ’：ｐ型層１２の高抵抗面
１２ｓ−ｓｑ，１２ｓ−ｓｑ’，１２ｓ−Ｌ：ｐ型層１２の低抵抗面
１２ｓｆ：ｐ型層１２のｐコンタクト電極１２１と接触しない面
１５：発光層
１５ＬＥ：発光層１５のうち、実際に発光する領域（発光領域）
１５ｎＬＥ：発光層１５のうち、実際には発光しない領域（非発光領域）
１２１：ｐコンタクト電極
１２２、２２２、２３２：導電層
５０：はんだ層（ソルダ層）
１３０ｐ：ｎコンタクト電極の大面積部
１３０ｐ−ｃ：大面積部１３０ｐのうち、ｎ型層１１とオーミック接触する部分
１３０ｐ−ｉ：大面積部１３０ｐのうち、ｎ型層１１とオーミック接触しない部分
１３０ｆ：ｎコンタクト電極の外周線路部
１３０ｇ：ｎコンタクト電極の内側線路部
２００：シリコン基板（支持基板）
４０：ＳｉＮから成る絶縁性保護膜

Claims (10)

1. 導電性の支持基板に、導電性の材料から成る層を介してエピタキシャル層がｐ層側から接合され、光取り出し側をｎ層側とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子であって、 前記ｐ層とｐ層の外周面を残して接合するｐコンタクト電極と、
   前記ｐコンタクト電極の全体を覆い、前記外周面において前記ｐ層とオーミック接触することなく接合する導電層と、
   を有し、
   前記光取り出し側から見た前記ｎ層の平面形状は矩形状であり、
   前記ｎ層に設けたｎコンタクト電極が、前記矩形状の２つの対角付近に設けられたボンディングパッドとして機能する２つの大面積部と、前記２つの大面積部から延伸されて設けられた線状部とからなり、
   前記２つの大面積部は、前記ｎ層と対向する少なくともその一部分が、前記ｎ層とはオーミック接触しておらず、
   前記２つの大面積部の前記ｎ層とオーミック接触していない部分は、前記ｎ層と前記２つの大面積部との間に絶縁膜が形成された領域であり、
   前記絶縁膜は、前記ｎ層及び前記ｐ層の外周側面を覆う保護膜と一体化されており、
   前記ｎコンタクト電極の前記線状部は、矩形枠状の外周線路部を有し、当該外周線路部の矩形の２頂点で前記２つの大面積部と接続されており、
   前記ｎコンタクト電極の前記線状部は、前記外周線路部に囲まれた前記ｎ層の表面を分割するように形成された内側線路部を有し、
   前記ｐ層の前記ｐコンタクト層と接触する側の面上であって、前記大面積部及び前記外周線路部の下方に位置する領域に高抵抗面が形成され、他の領域は低抵抗面となる
   ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
2. 前記高抵抗面は、前記ｐ層の表面から前記高抵抗面を形成する領域にイオン打ち込みするか、又は、当該領域をプラズマ処理することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
3. 前記ｎコンタクト電極の前記線状部は、前記内側線路部の幅が前記外周線路部の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
4. 前記ｎコンタクト電極の前記線状部の各部分は、平行に配置された線状部の他の部分との間隔をＬ、前記ｎ層の膜厚をｔとおいたとき、１０≦Ｌ／ｔ≦８０をみたす位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
5. 前記大面積部の前記ｎ層とオーミック接触している部分は、幅を有する帯状又は屈曲した帯状であって、当該幅は、前記ｎコンタクト電極の前記外周線路部の幅と同じかそれ以上２倍以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
6. 前記外周線路部の矩形形状は、平行四辺形、菱形、長方形、又は正方形であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
7. 前記ｎコンタクト電極の平面形状は、前記ｎ層の平面形状の重心に対して点対称である、或いは、矩形形状の前記ｎ層の、前記２つの大面積部が設けられていない２つの頂点を結ぶ線分に対して線対称であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
8. 前記導電性の支持基板と前記ｐ層との間に形成された導電性の材料のうち、少なくとも１層ははんだ層であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
9. 異種基板から成るエピタキシャル成長基板に、少なくとも前記ｎ層を形成した後に前記ｐ層を形成し、少なくとも前記はんだ層を介して前記導電性の支持基板と接合した後、前記エピタキシャル成長基板をレーザリフトオフにより除去して製造されたことを特徴とする請求項８に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
10. 前記ｎ層及び前記ｐ層の外周側面は、光取り出し側である前記ｎ層側から前記ｐ層側に対して広がる順テーパの傾斜面であることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。

Images