JPWO2010146808A1 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード - Google Patents

Abstract

本発明の発光ダイオード素子は、主面（７ａ）がｍ面であるｎ型ＧａＮ基板（７）と、基板（７）の主面（７ａ）上に設けられた積層構造とを有している。この積層構造は、ｎ型半導体層（２）と、ｎ型半導体層（２）の上面の第１領域（２ａ）上に位置する活性層（３）、ｐ型半導体層（４）、およびアノード電極層（５）と、ｎ型半導体層（２）の上面の第２領域（２ｂ）上に形成されたカソード電極層（６）とを備えている。ｎ型半導体層（２）、活性層（３）、およびｐ型半導体層（４）は、いずれも、ｍ面成長によって形成されたエピタキシャル成長層である。基板（７）およびｎ型半導体層（２）におけるｎ型不純物の濃度は１×１０18ｃｍ-3以下に設定されている。主面（７ａ）に垂直な方向から視たとき、アノード電極層（５）とカソード電極層（６）との間隔は４μｍ以下であり、カソード電極層（６）のエッジのうちでアノード電極層（５）に対向する部分からの距離が４５μｍ以下の領域内にアノード電極層（５）が配置されている。

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオードに関し、特に非極性面発光ダイオードに関する。

Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を有する窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。そのなかでも、窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ系半導体）の研究は盛んに行われ、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤ、ならびに、ＧａＮ系半導体を材料とする半導体レーザも実用化されている（例えば、特許文献１、２参照）。

窒化ガリウム系半導体は、ウルツ鉱型結晶構造を有している。図１は、ＧａＮの単位格子を模式的に示している。Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_cＮ（０≦ａ，ｂ，ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）半導体の結晶では、図１に示すＧａの一部がＡｌおよび／またはＩｎに置換され得る。

図２は、ウルツ鉱型結晶構造の面を４指数表記（六方晶指数）で表すために一般的に用いられている４つの基本ベクトルａ₁、ａ₂、ａ₃、ｃを示している。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」または「（０００１）面」と呼ばれている。なお、「ｃ軸」および「ｃ面」は、それぞれ、「Ｃ軸」および「Ｃ面」と表記される場合もある。

ウルツ鉱型結晶構造には、図３に示すように、ｃ面以外にも代表的な結晶面方位が存在する。図３（ａ）は、（０００１）面、図３（ｂ）は（１０−１０）面、図３（ｃ）は（１１−２０）面、図３（ｄ）は（１０−１２）面を示している。ここで、ミラー指数を表すカッコ内の数字の左に付された「−」は、「バー」を意味する。（０００１）面、（１０−１０）面、（１１−２０）面、および（１０−１２）面は、それぞれ、ｃ面、ｍ面、ａ面、およひｒ面である。ｍ面およびａ面はｃ軸（基本ベクトルｃ）に平行な「非極性面」であるが、ｒ面は「半極性面」である。

長年、窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子は、「ｃ面成長（ｃ−ｐｌａｎｅ ｇｒｏｗｔｈ）」によって作製されてきた。本明細書において、「Ｘ面成長」とは、六方晶ウルツ鉱構造のＸ面（Ｘ＝ｃ、ｍ、ａ、ｒなど）に垂直な方向にエピタキシャル成長が生じることを意味するものとする。Ｘ面成長において、Ｘ面を「成長面」と称する場合がある。また、Ｘ面成長によって形成された半導体の層を「Ｘ面半導体層」と称する場合もある。

ｃ面成長によって形成された半導体積層構造を用いて発光素子を製造すると、ｃ面が極性面であるため、ｃ面に垂直な方向（ｃ軸方向）に強い内部分極が生じる。分極が生じる理由は、ｃ面において、Ｇａ原子とＮ原子の位置がｃ軸方向にずれているからである。このような分極が発光部に生じると、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果が発生する。この効果により、発光部内におけるキャリアの発光再結合確率が下がるため、発光効率が低下してしまう。

このため、近年、ｍ面やａ面などの非極性面、またはｒ面などの半極性面上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることが活発に研究されている。非極性面を成長面として選択できれば、発光部の層厚方向（結晶成長方向）に分極が発生しないため、量子閉じ込めシュタルク効果も生じず、潜在的に高効率の発光素子を作製できる。半極性面を成長面に選択した場合でも、量子閉じ込めシュタルク効果の寄与を大幅に軽減できる。

現在、製品として販売されている発光ダイオードは、ｃ面基板上にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡlＧａＮなどのＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長して作製され発光ダイオード素子（ＬＥＤチップ）をサブマウント上に実装することにより作製される。発光ダイオード素子の平面サイズ（基板主面の平面的なサイズ：以下、単に「チップサイズ」と称する）は、発光ダイオード素子の用途に応じて異なるが、典型的なチップサイズは、例えば３００μｍ×３００μｍ、あるいは１ｍｍ×１ｍｍである。

発光ダイオード素子の電極の配置には、大きく分けて２つのタイプがある。一つは、アノード電極層およびカソード電極層を、それぞれ、発光ダイオード素子の表面および裏面に形成する「両面電極タイプ」である。もう一つは、アノード電極層およびカソード電極層の両方を、発光ダイオード素子の表面側に形成する「表面電極タイプ」である。以下、これらの電極配置を有する従来の発光ダイオード素子の構成を説明する。

図４Ａは、両面電極タイプの発光ダイオード素子を示す断面図、図４Ｂは、その斜視図である。図５Ａは、表面電極タイプの発光ダイオード素子を示す断面図、図５Ｂは、その上面図であり、図６Ａは、表面電極タイプの他の発光ダイオード素子を示す断面図、図６Ｂは、その上面図である。

図４Ａおよび図４Ｂに示す例では、ＧａＮからなるｎ型基板１上に、ＧａＮからなるｎ型導電層２、活性層３、ＧａＮからなるｐ型導電層４が積層されている。この例における活性層３は、井戸層（発光層）とバリア層とが積層された量子井戸構造を有している。井戸層はＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮから形成され、バリア層はＧａＮから形成されている。ｐ型導電層４上にアノード電極層５が形成され、ｎ型基板１の裏面にカソード電極層６が形成されている。この例では、活性層３から出た光がｎ型基板１の裏面から取り出されるため、カソード電極層６は透明電極材料から形成されている。カソード電極層６を不透明な導電材料から形成する場合は、カソード電極層６は、光を遮蔽しないようにｎ型基板１の裏面の一部領域に形成される。カソード電極層６が透明な両面電極タイプの発光ダイオード素子をサブマウントに実装する場合、アノード電極層５がサブマウント側に位置するようにして実装する。

図５Ａおよび図５Ｂに示す例では、ｐ型導電層４、活性層３、およびｎ型導電層２の一部が除去されて露出したｎ型導電層２上にカソード電極層６が形成されている。アノード電極層５は、ｐ型導電層４上に形成されている。このタイプの発光ダイオード素子をサブマウントに実装する場合、アノード電極層５よびカソード電極層６がサブマウント側に位置するようにして実装する。

図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、チップ面積あたりの活性層面積の割合を大きくするために、カソード電極層６の面積が図５Ｂに示すカソード電極層６の面積よりも小さく設計されている。

両面電極タイプの場合、アノード電極層５とカソード電極層６との間における電気抵抗は、ＧａＮ基板１の抵抗成分によって大きな影響を受けるため、ＧａＮ基板１の抵抗は可能な限り低く抑えることが好ましい。ＧａＮ半導体は、ｐ型不純物よりもｎ型不純物が相対的に高い濃度でドープされるため、一般に、ｎ型の方が低抵抗を実現しやすい。このため、通常、ＧａＮ基板１の導電型はｎ型に設定される。

また、表面電極タイプの場合でも、アノード電極層５とカソード電極層６との間における電気抵抗がＧａＮ基板１の抵抗成分によって影響を受けるため、通常、ＧａＮ基板１の導電型はｎ型に設定される。

上述の電極配置は、ｃ面の発光ダイオード素子で採用されてきたものであるが、ｍ面の発光ダイオード素子でも、そのまま、適用されている。

特開２００１−３０８４６２号公報 特開２００３−３３２６９７号公報

ｍ面ＧａＮは、ｃ面ＧａＮと比較して、不純物の取り込みが難しく、キャリア濃度を上昇させることが困難であるという課題を有している。これは、ＧａＮ基板のみならず、エピタキシャル成長したＧａＮ層も有している課題である。ｍ面ＧａＮでは、５×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のｎ型不純物濃度を実現することはできるが、このレベルよりもｎ型不純物濃度を高めようとすると、ｎ型ＧａＮの結晶品質の劣化が顕著になり、表面状態も劣化する。その結果、ＰＬ半値幅の増大、ＰＬピーク強度の低下が生じてしまう。このような品質の悪い結晶では、非発光電流や光の再吸収が起こりやすくなるため、発光ダイオードの効率低下の原因となり、製品として使用することができない。

従って、結晶品質の低下を避けるためには、ｎ型ＧａＮからなる層および基板のｎ型不純物濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の低い値に設定することが余儀なくされる。しかし、不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下になると、高抵抗による電圧降下のため、活性層３のうちでカソード電極層５から遠くに位置する部分には十分な電圧が印加されなくなる。その結果、活性層３の全体に注入される電流の総量が大幅に低下し、発光量の低下を招いてしまうことになる。

図７は、ｍ面両面電極タイプおよびｍ面表面電極タイプの発光ダイオードの電流密度とｎ型ＧａＮの不純物濃度との関係を示すグラフである。

グラフ中、▲のデータは、図５Ａおよび図５Ｂに示す表面電極タイプの発光ダイオードにおいて、与えられたｎ型不純物濃度（キャリア濃度）に基づいて計算された電流密度を示している。ここでは、アノード電極層５とカソード電極層６との間隔を１０μｍに固定し、アノード電極層の長さを２０μｍから４００μｍの間で変化させている。一方、■のデータは、図４Ａおよび図４Ｂに示す両面電極タイプの発光ダイオードにおいて、与えられたｎ型不純物濃度に基づいて計算された電流密度を示している。ＧａＮ基板の厚さは、いずれの場合も、約１００μｍに設定している。

グラフからわかるように、不純物濃度（キャリア濃度）が低くなるほど、両面電極タイプおよび表面電極タイプのいずれの場合においても電流密度が低下している。不純物濃度が等しい場合は、両面電極タイプで表面電極タイプよりも高い電流密度が実現されている。両面電極タイプでは、活性層に均一に電界が印加されるため、表面電極タイプよりも多くの電流が流れやすいからである。なお、表面電極タイプでは、アノード電極層の面積が大きくなるほど、活性層の面積が増加するため、印加電圧が等しい場合、カソード電極から遠くに位置する活性層に十分な大きさの電圧が印加されず、活性層を流れる電流の密度が減少する。

上記の計算結果に基づくと、ｍ面成長によって作製した発光ダイオードでは、ｎ型ＧａＮの不純物濃度が低いために、電流密度が減少し、発光量の低下やムラが起きてしまう。このため、非極性面を用いることによって得ることが期待される利点を充分に活かせないという課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、不純物濃度の低い非極性ＧａＮ系半導体を用いながらも、活性層への均一で十分な大きさの電流注入を実現し、良好な発光特性を示し得る表面電極タイプの発光ダイオードを提供することにある。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子は、主面および裏面を有し、前記主面が非極性面である窒化ガリウム系化合物からなる第１導電型半導体基板と、前記第１導電型半導体基板の前記主面上に形成された窒化ガリウム系化合物からなる第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の第１領域上に設けられた半導体積層構造であって、窒化ガリウム系化合物からなる第２導電型半導体層、および、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に位置する活性層を含む半導体積層構造と、前記第１導電型半導体層の第２領域上に設けられた第１の電極層と、前記第２導電型半導体層上に設けられた第２の電極層とを備える窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子であって、前記第１導電型半導体基板および前記第１導電型半導体層における第１導電型不純物の濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、前記主面に垂直な方向から視たとき、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間隔は４μｍ以下であり、かつ、前記第１の電極層のエッジのうちで前記第２の電極層に対向する部分からの距離が４５μｍ以下の領域内に前記第２の電極層が配置されている。

好ましい実施形態において、前記第１の電極層は、第１の方向に延びる複数の延長部を有しており、前記第２の電極層は、前記第１の電極層が有する前記複数の延長部のうちの隣接する２つの延長部によって挟まれた領域に位置する部分を有している。

好ましい実施形態において、前記第１の電極層は、前記複数の延長部を相互に電気的に接続する少なくとも１つの相互接続部を有し、前記相互接続部は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延びている。

好ましい実施形態において、前記第２の電極層は、第１の方向に延びる複数の延長部を有しており、前記第１の電極層は、前記第２の電極層が有する前記複数の延長部のうちの隣接する２つの延長部によって挟まれた領域に位置する部分を有している。

好ましい実施形態において、前記第１の電極層および前記第２の電極層は、それぞれ、第１の方向に延びる複数の延長部を有しており、前記第１の電極層の複数の延長部と前記第２の電極層の複数の延長部とは、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って交互に配置されている。

好ましい実施形態において、前記第１の電極層は、前記複数の延長部を相互に電気的に接続する少なくとも１つの第１相互接続部を有し、前記第２の電極層は、前記複数の延長部を相互に電気的に接続する少なくとも１つの第２相互接続部を有し、前記第１相互接続部および前記第２相互接続部は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延びている。

好ましい実施形態において、前記第２の電極層は、複数の開口部を有しており、前記第１の電極層は、前記第２の電極層が有する前記複数の開口部の内部に配置された電極を含んでいる。

好ましい実施形態において、前記主面に垂直な方向から視たとき、前記第２の電極層が有する前記複数の開口部の内部に配置された前記電極の外周エッジは曲線である。

好ましい実施形態において、前記第１の電極層は、複数の開口部を有しており、前記第２の電極層は、前記第１の電極層が有する前記複数の開口部の内部に配置された電極を含んでいる。

好ましい実施形態において、前記半導体積層構造は、前記第１の電極層における前記複数の開口部に対応する複数の部分に分離されている。

好ましい実施形態において、前記第１の電極層は、前記複数の開口部を規定する格子形状の導電部分を有している。

好ましい実施形態において、前記複数の開口部の個数は８以上である。

好ましい実施形態において、前記第１導電型半導体基板の前記主面は１辺の長さが５００μｍの正方形よりも小さい。

好ましい実施形態において、動作時に前記第１の電極層と前記第２の電極層との間を流れる電流の密度が１５０Ａ／ｃｍ₂以上である。

好ましい実施形態において、前記活性層は、発光層とバリア層とが積層された量子井戸構造を有し、前記発光層の厚さは６ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内にある。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子は、窒化ガリウム系化合物からなる非極性面の半導体基板を備え、ｎ型不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であるため、結晶性が良好である。また、表面電極タイプでありながら、特殊な電極配置を採用することにより、活性層の全体に十分な大きさの電圧を印加することが可能になるため、高い光出力を得ることができ、発光の面内分布も均一化されやすい。

ＧａＮの単位格子を模式的に示す斜視図である。 ウルツ鉱型結晶構造の基本ベクトルａ₁、ａ₂、ａ₃、ｃを示す斜視図である。 （ａ）から（ｄ）は、六方晶ウルツ鉱構造の代表的な結晶面方位を示す模式図である。 両面電極タイプの発光ダイオード素子を示す断面図である。 図４Ａに示す発光ダイオード素子の斜視図である。 表面電極タイプの発光ダイオード素子を示す断面図である。 図５Ａに示す発光ダイオード素子の上面図である。 表面電極タイプの他の発光ダイオード素子を示す断面図である。 図６Ａに示す発光ダイオード素子の上面図である。 両面電極タイプおよび表面電極タイプの発光ダイオードの電流密度とｎ型ＧａＮの不純物濃度との関係を示すグラフである。 本発明による発光ダイオード素子の第１の実施形態の断面図であり、図９のＢ−Ｂ'線断面図に相当する。 図８に示す発光ダイオード素子の上面図である。 アノード電極層５がカソード電極層６の２つの部分によって挟まれた構造を有する発光ダイオード素子の断面図である。 図１０Ａの電極層５、６の配置関係を模式的に示す平面図である。 アノード電極層５の片側のみにカソード電極層６が配置された構造を有する発光ダイオード素子の断面図である。 図１１Ａの電極層５、６における主要部分の配置関係を示す平面図である。 シミュレーションによって得られた、光出力比率と距離Ｌとの関係を示すグラフである。 シミュレーションによって得られた、光出力比率と距離Ｌとの関係を示す他のグラフである。 図８のＡ−Ａ’線断面における発光分布を示すグラフである。 図８に示す表面電極タイプの発光ダイオードのＡ−Ａ’線断面における再結合レートＲｓｐの分布を示すグラフである。 図１４Ａのグラフに示されたデータに基づいて作成されたグラフであり、自然放出光の再結合レートＲｓｐの最小値とアノード・カソード電極間隔Ｌａｃとの関係を示すグラフである。 本発明による発光ダイオードの第２の実施形態の断面図であり、図１５ＢのＣ−Ｃ'線断面図に相当する。 本発明による発光ダイオードの第２の実施形態の上面図である。 本発明による発光ダイオードの第３の実施形態の断面図であり、図１６ＢのＤ−Ｄ'線断面図に相当する。 本発明による発光ダイオードの第３の実施形態の上面図である。 本発明による発光ダイオードの第４の実施形態の断面図であり、図１８のＥ−Ｅ'線断面図に相当する。 本発明による発光ダイオードの第４の実施形態の上面図である。 本発明による発光ダイオードの第５の実施形態の断面図であり、図２０のＨ−Ｈ'線断面図に相当する。 本発明による発光ダイオードの第５の実施形態の上面図である。 試作された発光ダイオード（比較例：距離Ｌの最大値が１７５μｍ）の上面図である。 試作された発光ダイオード（実施例：距離Ｌの最大値が４５μｍ）の上面図である。 試作された発光ダイオード（実施例：距離Ｌの最大値が１８μｍ）の上面図である。 実験によって得られた、光出力比率と距離Ｌとの関係を示すグラフである。 実験によって得られた、外部量子効率の最大値と距離Ｌとの関係を示すグラフである。

（実施形態１）
まず、図８および図９を参照しながら、本発明による発光ダイオードの第１の実施形態を説明する。図８は、本実施形態における発光ダイオードの断面図であり、図９は、図８の発光ダイオードの上面図である。図８は、図９のＢ−Ｂ'線断面図に相当する。添付図面では、ＸＹＺ座標系のＹＺ面を基板主面に平行に設定し、Ｘ軸を基板主面に垂直な方向に設定している。

本実施形態における発光ダイオードは、図８に示されるように、主面７ａがｍ面であるｎ型ＧａＮ基板７と、ｎ型ＧａＮ基板７の主面７ａ上に設けられた積層構造とを有している。なお、ｍ面は、（１０−１０）面、（−１０１０）面、（１−１００）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面の総称である。本実施形態の発光ダイオードは、表面電極タイプであり、ｎ型ＧａＮ基板７の裏面７ｂには電極が形成されていない。

ｎ型ＧａＮ基板７上の積層構造は、ｎ型ＧａＮ基板７の主面を覆うｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２の上面の第１領域２ａ上に位置する活性層３と、活性層３上に形成されたｐ型半導体層４と、ｐ型半導体層４上に設けられたアノード電極層５と、ｎ型半導体層２の上面の第２領域２ｂ上に形成されたカソード電極層６とを備えている。ｎ型半導体層２、活性層３、およびｐ型半導体層４は、いずれも、ｍ面成長によって形成されたエピタキシャル成長層である。

前述したように、ｍ面成長によって形成されるＧａＮ系半導体層ではｎ型不純物の取り込みが難しく、ｎ型不純物濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3よりも高くすると、結晶品質が著しく低下する。このため、本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板７およびｎ型半導体層２におけるｎ型不純物の濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下に設定し、これらの結晶性を良好なものとしている。ｎ型ＧａＮ基板７のｎ型不純物濃度は、例えば１×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、典型的には、例えば５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度である。

ｎ型ＧａＮ基板７は、エピタキシャル成長や電極形成の工程が完了した後、裏面７ｂから研磨やエッチングによって厚さを減じられる場合がある。ｎ型ＧａＮ基板７の最終的な厚さは、例えば５μｍから２５０μｍまでの範囲内にある。

フリップチップ実装が行われた場合、活性層３から発せられた光はｎ型ＧａＮ基板７を透過して裏面７ｂから外部に取り出される。この場合、光取り出しを向上させるためには、ｎ型ＧａＮ基板７をできるだけ薄くしてｎ型ＧａＮ基板７による吸収損失を低減することが好ましい。ただし、ｎ型ＧａＮ基板７が薄すぎると、その機械的強度が小さくなりすぎるため、実装工程における発光ダイオード素子のハンドリングが困難になる。これらのことを総合的に考慮して、ｎ型ＧａＮ基板７の標準的な厚さは、最終的に、例えば１００μｍ程度に設定される。

ｎ型半導体層２は、ｎ型ＧａＮ基板７上にエピタキシャル成長を開始するときにバッファ層として機能する。ｎ型導電層２の厚さは、最も厚い部分で例えば５μｍ程度である。活性層３とｐ型半導体層４との間には、キャリアの染み出しを防ぐオーバーフローストッパー層としてＡlＧａＮ層が挿入されてもよい。

ｍ面成長によって形成されるＧａＮ系半導体層を用いる場合、ｃ面成長によって形成されるＧａＮ系半導体層を用いる場合に比べて活性層を厚く形成することができるため、発光効率を低下させることなく、動作時に活性層を流れる電流の密度（電流密度）を高められる。このため、本発明の好ましい実施形態では、電流密度を１５０Ａ／ｃｍ²以上にして動作させることができる。より高い光出力が必要な用途では、電流密度を３００Ａ／ｃｍ²以上にして動作させることが好ましい。また、電流密度の上限は素子の放熱性に依存し、８００Ａ／ｃｍ²を上回ると発熱を伴うため、効率の低下がみられる。したがって、電流密度は８００Ａ／ｃｍ²以下に設定することが好ましい。

以下、図８を参照しながら、本実施形態の発光ダイオードを製造する方法の好ましい一例を説明する。

まず、主面７ａがｍ面のｎ型ＧａＮ基板７を用意する。このｎ型ＧａＮ基板は、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて作製され得る。例えば、まずｃ面サファイア基板上に厚さ数ｍｍオーダの厚膜ＧａＮを成長する。その後、厚膜ＧａＮをｃ面に垂直なｍ面で切り出すことにより、ｍ面ＧａＮ基板が得られる。ＧａＮ基板の作製方法は、上記に限らず、例えばナトリウムフラックス法などの液相成長やアモノサーマル法などの融液成長方法を用いてバルクＧａＮのインゴットを作製し、それをｍ面で切り出す方法でも良い。

本実施形態では、基板７の上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により結晶層を順次形成していく。まず、ｎ型ＧａＮ基板７上に、ｎ型半導体層２としてＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層を形成する。Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層として、例えば厚さ３μｍのＧａＮ層を形成することができる。Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層としてＧａＮ層を形成する場合には、ｎ型ＧａＮ基板７上に、例えば１１００℃でＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、ＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）およびＮＨ₃を供給することによってＧａＮ層を堆積する。次に、ｎ型半導体層２の上に、活性層３を形成する。活性層３は、例えば厚さ９ｎｍのＧａ_0.9Ｉｎ_0.1Ｎ井戸層と厚さ９ｎｍのＧａＮバリア層とが交互に積層された厚さ８１ｎｍのＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。Ｇａ_0.9Ｉｎ_0.1Ｎ井戸層を形成する際には、Ｉｎの取り込みを行うために、成長温度を８００℃に下げることが好ましい。なお井戸層には、ＧａＩｎＮに代えて、ＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。活性層３の上に、例えば、ＴＭＧ、ＮＨ₃、ＴＭＡ、ＴＭＩおよびｐ型不純物としてＣｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を供給することにより、厚さ７０ｎｍのｐ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎからなるｐ型半導体層４を形成する。ｐ型半導体層４は、表面に不図示のｐ−ＧａＮコンタクト層を有していることが好ましい。

上記のＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長工程が終了した後、塩素系ドライエッチングを行うことによりｐ型半導体層４および活性層３の一部を除去して凹部を形成し、ｎ型半導体層２のｎ型電極形成領域を露出させる。次いで、この部分に例えばＴｉ／Ｐｔ層からなるカソード電極層６を形成する。ｐ型半導体領域４上には、例えばＰｄ／Ｐｔ層からなるアノード電極層５を形成する。

上記の各半導体層および電極層の形成は、公知の製造技術によって実行され得る。上記の記載は、好ましい実施形態の一例を説明するものに過ぎない。

本実施形態におけるアノード電極層５およびカソード電極層６の平面レイアウトは、図９に示すように、櫛の歯形状またはフィンガー形状を有している。図８の断面図では、アノード電極層５およびカソード電極層６の各々が複数の電極部分に分離されているように見えるが、現実には、図９から明らかなように、アノード電極層５およびカソード電極層６の各々は、同一の導電層から形成されている。ただし、アノード電極層５およびカソード電極層６の少なくとも一方が、物理的に分離された複数の電極から形成されていても良い。後に図１７を参照して説明する実施形態では、カソード電極層６が複数の円形電極から構成されている。これらの円形電極は、不図示の導電層または導電線によって相互に電気的に接続され、実質的に同電位（カソード電位）を示すため、カソード電極層の層を構成する。本明細書では、電気的に相互に接続され、実質的に同電位となる少なくとも１つの電極から構成された導電部材を「電極層」と称することとする。このような電極層は、導電膜（単層膜または積層膜）をパターニングすることによって形成され得る。

本実施形態におけるカソード電極層６は、図８に示すように、ｐ型半導体層４および活性層３が除去された領域（ｎ型半導体層２の第２領域２ｂ）上に形成されるため、カソード電極層６の面積が大きくなるほど、活性層３の面積が減少する。このため、本実施形態では、活性層３の面積をより大きくする目的で、カソード電極層６の面積をアノード電極層５の面積よりも小さく設定している。

本実施形態におけるアノード電極層５は、図９に示すように、Ｚ軸方向に延びる複数の延長部５０を有している。同様にカソード電極層６もＺ軸方向に延びる複数の延長部６０を有している。図示される例では、アノード電極層５の各延長部５０は、カソード電極層６の２つの延長部６０の間に配置されている。本明細書では、発光ダイオードをｎ型ＧａＮ基板７の主面７ａに垂直な方向から視た場合において、アノード電極層５とカソード電極層６との間隔を「アノード・カソード電極間隔Ｌａｃ」と称し、アノード電極層５の各延長部５０の電流経路方向におけるサイズを「アノード電極長Ｌａ」と称することとする。図面では、簡単のため、アノード・カソード電極間隔Ｌａｃを単に「Ｌａｃ」と表記し、アノード電極長Ｌａを単に「Ｌａ」と表記する。

後述する理由から、本実施形態では、Ｌａｃ≦４μｍ、２・Ｌａｃ＋Ｌａ≦９０μｍの関係を満足すように電極配置を設計している。ここで、２・Ｌａｃ＋Ｌａは、図９から明らかなように、アノード電極層５の１つの延長部５０を挟み込むカソード電極層６の２つの延長部６０の間隔に相当する。この間隔が９０μｍ以下に設定されることにより、アノード電極層５上の任意の位置からカソード電極層６までの距離（最短距離）は４５μｍ以下となる。

アノード電極層５の各延長部５０は、Ｙ方向に延びる相互接続部によって電気的に接続されている。この相互接続部は、アノード電極層５と同一の導電層から形成され、アノード電極層５の一部を構成している。同様に、カソード電極層６の各延長部６０も、Ｙ方向に延びる別の相互接続部によって電気的に接続されている。この相互接続部は、カソード電極層６と同一の導電層から形成され、カソード電極層６の一部を構成している。しかしながら、相互接続部は、アノード電極層５やカソード電極層６とは別の導電層や導電線から形成されていても良い。例えば、相互延長部は、複数の延長部の上方において、各延長部５０、６０と立体的に交差するように配置されていても良い。

次に、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照する。図１０Ａは、アノード電極層５がカソード電極層６の２つの部分によって挟まれた構造を有する発光ダイオード素子の断面図であり、図１０Ｂは、そのような電極層５、６の配置関係を模式的に示す平面図である。図示されている配置例では、カソード電極層６を構成する２つの部分がアノード電極層５の両側に間隔Ｌａｃを置いて配置されている。すなわち、間隔Ｌａｃは、カソード電極層６の外周縁（エッジ）のうちでアノード電極層５に対向する部分（以下、カソード電極層６の「対向エッジ部」と称する）から、アノード電極層５の外周縁（エッジ）のうちでカソード電極層５に対向する部分（以下、アノード電極層５の「対向エッジ部」と称する）までの距離である。本実施形態では、この間隔Ｌａｃを４μｍ以下に設定している。この間隔Ｌａｃの下限は、製造プロセス技術によって定まり、例えば０．５μｍである。

図１０Ａおよび１０Ｂに示す例では、カソード電極層６の対向エッジ部から４５μｍ以下よりも離れた位置にアノード電極層５は存在しておらず、アノード電極層５のどの部分も、カソード電極層６の対向エッジから４５μｍ以内の領域に位置している。

図１０Ｂを参照して、上記事項をより詳しく説明する。アノード電極層５のうちの任意の部分を点Ｐで示し、この点Ｐからカソード電極層６の「最も近い対向エッジ」まで距離を距離Ｌｐで表すものとする。点Ｐの位置に応じて、距離Ｌｐは変化するが、（２・Ｌａｃ＋Ｌａ）／２を超えることはない。すなわち、距離Ｌｐの最大値Ｌは（２・Ｌａｃ＋Ｌａ）／２である。本実施形態では、２・Ｌａｃ＋Ｌａ≦９０μｍであるので、（２・Ｌａｃ＋Ｌａ）／２は４５μｍ以下である。言い換えると、アノード電極層５は、カソード電極層６の対向エッジから距離Ｌ（＝４５μｍ）までの領域内に含まれる。

次に、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照する。図１１Ａは、アノード電極層５の片側のみにカソード電極層６が配置された構造を有する発光ダイオード素子の断面図であり、図１１Ｂは、そのような電極層５、６なおける主要部分の配置関係を示す平面図である。図示されている配置例では、カソード電極層６がアノード電極層５の片側に間隔Ｌａｃ（４μｍ以下）を置いて配置されている。この図の例でも、カソード電極層６の対向エッジ部から距離Ｌ（＝４５μｍ）よりも離れた位置にアノード電極層５は存在しておらず、アノード電極層５のどの部分も、カソード電極層６の対向エッジから距離Ｌ（＝４５μｍ）以内の領域に位置している。図１１Ａおよび図１１Ｂの例では、Ｌａｃ＋Ｌａ≦４５μｍの関係が満足されている。

結局のところ、本発明では、アノード電極層５の両側にカソード電極層６が配置されている場合も、片側に配置されている場合も、アノード電極層５は、カソード電極層６の対向エッジからの距離が４５μｍ以下の領域内に配置されていることになる。なお、アノード電極層５の一部が、上記の「領域」から外れていたとしても、その部分がカソード電極層６の総面積の１０％以下であれば、本発明の効果を得ることは可能である。

次に、図１２Ａおよび図１２Ｂを参照し、アノード電極層５をカソード電極層６の対向エッジから４５μｍ以内の領域内に配置する理由を説明する。図１２Ａおよび図１２Ｂは、シミュレーションによって得られた、光出力比率と距離Ｌとの関係を示すグラフである。ここで、光出力比率は、図５Ａおよび図５Ｂに示す構造を有する発光ダイオードの光出力を、電極以外の構造が同一である両面電極タイプの発光ダイードから得られる光出力で割って規格化したものである。距離Ｌは、図１０Ｂに示すＬであり、Ｌ＝（２・Ｌａｃ＋Ｌａ）／２である。グラフには、アノード・カソード電極間隔Ｌａｃを１μｍから１０μｍまで変化させた場合の計算結果をプロットしている。なお、グラフ中の「Ｎｄ＝１ｅ１８ｃｍ^-3」は、ｎ型不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3であることを示し、「Ｎｄ＝５ｅ１７ｃｍ^-3」は、ｎ型不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3であることを示している。

図１２Ａおよび図１２Ｂのグラフからわかるように、距離Ｌが４５μｍ以下であれば、間隔Ｌａｃによらず、表面電極タイプで両面電極タイプよりも光出力が大きくなる。従来、ｃ面成長によって作製される発光ダイオードの場合は、表面電極タイプの方が両面電極タイプよりも電流が流れにくく、光出力が低いという技術常識があった。しかしながら、図１２Ａおよび図１２Ｂに示す結果は、この技術常識を覆すものであり、ｍ面成長によって作製した発光ダイオードのように、ＧａＮ基板および半導体層の不純物濃度が低い場合に初めて生じるものと考えられる。両面電極タイプの場合、電流は基板や半導体層を縦方向に流れるが、ｍ面半導体のように不純物濃度が低いと、表面電極タイプに対する両面電極タイプの優位性が低下する。本発明の構成を採用することにより、表面電極タイプで、より光出力を高めることが可能になる。

上述のことは、活性層内の発光分布を計算した結果からも確認できた。図１３は、図８のＡ−Ａ’線断面における発光分布を示すグラフである。グラフの縦軸は、自然放出光の再結合レートＲｓｐであり、横軸はカソード電極層の対向エッジから発光点までの距離ｙである。ｎ型不純物濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3、アノード・カソード電極間隔Ｌａｃを１μｍに設定し、アノード電極長Ｌａを１０μｍから４００μｍまで変化させた結果を示す。

本願発明者は、図１０Ａに示すような、アノード電極層５の両側にカソード電極層６を配置した構造について計算した。グラフ中、比較のため、両面電極タイプの発光ダイオードについて得られた計算結果（比較例）を点線で示している。比較例では、ｎ型ＧａＮ基板（ｎ型不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3）の厚さを１００μｍに設定している。

図１３のグラフによれば、両面電極タイプの再結合レートＲｓｐは、Ｌａ＝８０μｍのときの再結合レートＲｓｐとＬａ＝１００μｍのときの再結合レートＲｓｐとの間に位置しており、アノード電極長Ｌａが９０μｍを超えると、表面電極タイプの再結合レートＲｓｐが両面電極タイプの再結合レートＲｓｐを下回ることがわかる。すなわち、アノード電極層５を挟むカソード電極層６の２つの対向エッジの間隔（２・Ｌａｃ＋Ｌａ）が広くなると、活性層に均一な電流供給が困難となり、再結合レートＲｓｐが低下することになる。例えばＬａ＝２００μｍおよびＬａ＝４００μｍの場合における発光レートは、Ｌａ＝２０μｍの場合における発光レートの半分以下に低下している。

なお、図１３のグラフでは、距離ｙがアノード電極長Ｌａの半分程度の位置で再結合レートＲｓｐが最も小さくなる。このことは、活性層３のうち、カソード電極層６の対向エッジから最も遠い部分で電流密度が最も低下することを意味している。

アノード電極層５を挟むカソード電極層６の２つの対向エッジの間隔（２・Ｌａｃ＋Ｌａ）が狭くなることは、アノード電極長Ｌａが短くなることを意味する。アノード電極長Ｌａが極端に短くなるレイアウトでは、チップ面積に占めるアノード電極層の総面積の割合が小さくなる。このため、アノード電極長Ｌａは３μｍ以上に設定されることが好ましく、１０μｍ以上に設定されることが更に好ましい。間隔Ｌａｃの下限値を０．５μｍ、アノード電極長Ｌａの下限値を３μｍ、Ｌ＝（２・Ｌａｃ＋Ｌａ）／２とするとき、Ｌの下限値は２μｍとなる。

次に、アノード電極層５とカソード電極層６との間隔Ｌａｃを４μｍ以下に設定する理由を説明する。

図１４Ａは、図８に示す表面電極タイプの発光ダイオードのＡ−Ａ’線断面における再結合レートＲｓｐの分布とＬａｃとの関係を示すグラフである。アノード電極長Ｌａを８０μｍに設定し、アノード・カソード電極間隔Ｌａｃを１μｍから４０μｍまで変化させている。図１４Ｂは、図１４Ａのグラフに示されたデータに基づいて作成されたグラフであり、再結合レートＲｓｐの最小値とアノード・カソード電極間隔Ｌａｃとの関係を示すグラフである。図１４Ａおよび図１４Ｂのグラフには、両面電極タイプの場合における再結合レートＲｓｐを点線で示している。図１４Ｂからわかるように、アノード・カソード電極間隔Ｌａｃを４μｍ以下に設定することにより、表面電極タイプの発光強度を両面電極タイプの発光強度よりも高くすることができる。

ｎ型不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であっても、結晶品質に優れたＧａＮ結晶を作製することができるｃ面半導体では、ｎ型半導体の電気抵抗を充分に低くすることができる。そのため、ｃ面ＧａＮ基板の厚さが１００μｍ以上の両面電極タイプの発光ダイオードであっても、活性層に十分な電界を印加して大きな光出力を得ることができる。また、ｃ面半導体の場合、表面電極タイプにおいて、アノード電極層とカソード電極層との距離Ｌａｃが１０μｍ以上、アノード電極長Ｌａが例えば５００μｍ程度であっても、両面電極タイプに近い光出力を得ることができる。

しかしながら、ｍ面ＧａＮ基板を用いた発光ダイオードは、基板もエピタキシャル成長したｎ型導電層も、良好な結晶性を得るためには、ｎ型不純物濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下（１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の範囲）に設定する必要がある。このため、両面電極タイプでは、厚さ１００μ程度の基板が有する高い電気抵抗のため、活性層に十分な電界を印加できず、大きな光出力を得ることができない。また、従来のｃ面半導体を用いた表面電極タイプの発光ダイオードの電極配置をそのままｍ面半導体の発光ダイオードに転用した場合には、両面電極タイプよりも優れた発光を得ることができない。すなわち、アノード電極層とカソード電極層との距離Ｌａｃが４μｍを超えるような従来の表面電極タイプの設計を採用した場合には、電極間やアノード電極層の下部分における電気抵抗が大きくなり、活性層の全体に十分に大きな電界が形成されず、光出力が低下してしまうことになる。また、アノード電極長が例えば１００μｍ以上のサイズになると、カソード電極層から遠い領域で活性層に十分な電界が形成されず、活性層に注入される電流の密度か低下する部分が生じ、発光ムラが発生してしまう。

これに対し、本発明によれば、カソード電極層とアノード電極層との間隙を縮小し、かつ、カソード電極層のエッジから所定範囲内にアノード電極層を配置するため、電極間での電位変化、および、活性層のｎ型導電層側の電位とカソード電極層との間の電位差を小さくできるため、活性層に十分な大きさの電界を印加することが可能になる。

また、アノード電極長Ｌａが短くなると、ｎ型半導体層内の電子がｎ型電極層に引き出されるまでに走行する距離が短くなるため、ｎ型半導体層内での発熱が抑えられる。

なお、アノード電極層は、光を反射する導電材料から形成されても良いし、透明電極材料から形成されてもよい。アノード電極層を光反射材料から形成した場合は、基板裏面から光を取り出すようにフリップチップ実装を行うことが好ましい。また、アノード電極層を透明材料から形成した場合は、発光ダイオード素子の電極側表面から光を取り出すように実装しても良い。

（実施形態２）
図１５Ａおよび図１５Ｂは、それぞれ、本発明による発光ダイオードの第２の実施形態の断面図および上面図である。図１５Ａは図１５ＢのＣ−Ｃ'線断面図である。図１５Ａおよび図１５Ｂにおいて、実施形態１の構成要素に相当する構成要素に対しては、共通の参照符号を付している。本実施形態の発光ダイオードが実施形態１の発光ダイオードと異なる点は、電極層のレイアウトにある。

本実施形態では、コの字型（またはＣの字型）のカソード電極層６の内側にアノード電極層５を配置している。電極間隔Ｌａｃは４μｍ以下であり、アノード電極層５はカソード電極層６の対向エッジから４５μｍ以内の領域に形成されている。

本実施形態では、矩形のアノード電極層５の４辺のエッジのうち、３辺のエッジがカソード電極層６のエッジに近接し、対向している。このため、アノード電極層５の直下に位置する活性層３の全面に対してカソード電極層６からの電界が印加されやすくなり、発光量が増大する。このため、チップ面積を小さくしても、必要な活性層面積を確保しやすい。また、電極層の平面レイアウトが簡単なパターンであるため、ｎ型半導体層２を露出させるためのフォリソグラフィおよびエッチングの工程も簡単になる。

（実施形態３）
図１６Ａおよび図１６Ｂは、それぞれ、本発明による発光ダイオードの第３の実施形態の断面図および上面図である。図１６Ａは図１６ＢのＤ−Ｄ'線断面図である。図１６Ａおよび図１６Ｂにおいて、実施形態１の構成要素に相当する構成要素に対しては、共通の参照符号を付している。本実施形態の発光ダイオードが実施形態１の発光ダイオードと異なる点は、電極層のレイアウトにある。

本実施形態では、コの字型（またはＣの字型）のアノード電極層５の内側にカソード電極層６を配置している。電極間隔Ｌａｃは４μｍ以下であり、アノード電極層５はカソード電極層６の対向エッジから４５μｍ以内の領域に形成されている。

本実施形態では、矩形のカソード電極層６の４辺のエッジのうち、３辺のエッジがアノード電極層５のエッジに近接し、対向している。アノード電極層５の平面形状がコの字（またはＣの字型）であるため、活性層３の平面形状もコの字（またはＣの字型）である。本実施形態においても、チップ面積を小さくしても、必要な活性層面積を確保しやすい。また、電極層の平面レイアウトが簡単なパターンであるため、ｎ型半導体層２を露出させるためのフォリソグラフィおよびエッチングの工程も簡単になる。

（実施形態４）
図１７および図１８は、それぞれ、本発明による発光ダイオードの第４の実施形態の断面図および上面図である。図１７は図１８のＥ−Ｅ'線断面図である。なお、図１７に示される構成は、基本的には、図１８のＦ−Ｆ'線断面図、Ｇ−Ｇ'線断面図に示される構成と同じである。図１７および図１８において、実施形態１の構成要素に相当する構成要素に対しては、共通の参照符号を付している。本実施形態の発光ダイオードが実施形態１の発光ダイオードと異なる点は、電極層のレイアウトにある。

本実施形態では、カソード電極層６を構成する円形電極（カソード電極）の間の領域を埋めるようアノード電極層５が形成されている。１つの発光ダイオード素子内に複数の円形電極が形成されているが、不図示の導電層または導電線によって円形電極は相互に接続されている。

本実施形態でも、電極間隔Ｌａｃは４μｍ以下であり、アノード電極層５はカソード電極層６の対向エッジから４５μｍ以内の領域に形成されている。

本実施形態では、複数のカソード電極層６が二次元的に配列されているため、カソード電極層６の面積に対して対向エッジの長さを大きくできる。すなわち、カソード電極層６の面積を小さくしても、カソード電極層６の対向エッジから４５μｍ以内の領域の総面積を大きく確保しやすい。このような構成では、アノード電極層５の直下に位置する活性層３の全面に対して、カソード電極層６からの電界を印加しやすく、十分な光出力を得ることができる。

本実施形態では、図１７に示されるように、発光ダイオード素子の周辺領域がカソード電極層６ではなくアノード電極層５で覆われている。なお、カソード電極層６を構成する個々の円形電極はアノード電極層５上に絶縁膜を形成し、更にその上に導電性の配線を形成する２層配線構造を形成することによって相互に電気的に接続される。

（実施形態５）
図１９および図２０は、それぞれ、本発明による発光ダイオードの第５の実施形態の断面図および上面図である。図１９は図２０のＨ−Ｈ'線断面図である。図１９および図２０において、実施形態１の構成要素に相当する構成要素に対しては、共通の参照符号を付している。本実施形態の発光ダイオードが実施形態１の発光ダイオードと異なる点は、電極層のレイアウトにある。

本実施形態の発光ダイオード素子は、木の枝のように多数の分枝を有するカソード電極層６を有しており、この分枝の間の領域内にアノード電極層５が配置されている。電極間隔Ｌａｃは４μｍ以下であり、アノード電極層５はカソード電極層６の対向エッジから４５μｍ以内の領域に形成されている。

本実施形態の構成によれば、アノード電極層５の周辺をカソード電極層５が取り囲んでいるため、アノード電極層５の直下に位置する活性層の全面にカソード電極層６からの電圧が印加されやすく、発光量が増大する。本実施形態によれば、放熱性に優れた高出力用途の発光ダイオードを提供できる。

上記の各実施形態では、基板の厚さを１００μｍ程度に設定しているが、基板の厚さを５μｍ程度に薄くした場合においても、本発明の効果を得ることができる。電極間隔Ｌａｃが１０μｍ以上の従来の表面電極タイプの発光ダイオードと比較すると、光出力は約２倍近く向上し、その効果は大きい。本発明の効果は、基板の厚さがアノード・カソード電極間隔Ｌａｃより大きな両面電極タイプ発光ダイオードに対しては、優位性を発揮することが可能である。

なお、本発明では、アノード電極を比較的小さいサイズに設定しているが、実装工程でアノード電極上にバンプをのせたり、ワイヤボンディングを行う領域を確保するためには、図示されるアノード電極の一部から接続用の延長部分（パッド）が設けられてもよい。

なお、本発明における非極性面はｍ面に限定されず、ｒ面やａ面のように、ｃ面半導体層に比べて不純物濃度を増加させることが困難な非極性面基板上に半導体を成長させることによって製造される各種の発光ダイオードに適用して効果を得ることができる。

以下、発光ダイオードの試作例を説明する。

まず、図２１Ａ、図２１Ｂ、図２１Ｃを参照して、３つの発光ダイオードの構成を説明する。図２１Ａは、試作された発光ダイオード（比較例：距離Ｌの最大値が１７５μｍ）の上面図である。一方、図２１Ｂは、試作された発光ダイオード（実施例：距離Ｌの最大値が４５μｍ）の上面図であり、図２１Ｃは、試作された発光ダイオード（実施例：距離Ｌの最大値が１８μｍ）の上面図である。

これらの試作例は、アノード電極層およびカソード電極層の平面レイアウトが異なる点を除けば、図８に示す積層構成と同様の積層構造を有している。具体的には、これらの発光ダイオードは、図８に示すように、主面がｍ面であるｎ型ＧａＮ基板７と、ｎ型ＧａＮ基板７の主面を覆うｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２の上面の第１領域２ａ上に積層された活性層３、ｐ型半導体層４、アノード電極層５と、ｎ型半導体層２の上面の第２領域２ｂ上に形成されたカソード電極層６とを備えている。ｎ型半導体層２、活性層３、およびｐ型半導体層４は、いずれも、ｍ面成長によって形成されたエピタキシャル成長層である。

試作例におけるｎ型ＧａＮ基板７の主面のサイズは、いずれも、３００μｍ×３００μｍであり、１辺の長さが５００μｍの正方形よりも小さい。また、ｎ型ＧａＮ基板７の不純物濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3である。各半導体層の構成は、以下の通りである。

ｎ型半導体層２は、厚さ３μｍのｎ−ＧａＮ層から形成されており、その不純物濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3である。活性層３は、ＩｎＧａＮ井戸層（厚さ１５ｎｍ）／ＧａＮバリア層（厚さ１５ｎｍ）が３組積層された量子井戸層である。ｐ型半導体層４は、厚さ０．３μｍのｐ−ＧａＮ層から形成され、その不純物濃度８×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

図２１Ａに示す比較例では、アノード電極層５が、四角形（１辺９０μｍ）の上面を有するカソード電極層６の３辺を取り囲むように配置されている。距離Ｌの最大値は１７５μｍである。

一方、図２１Ｂに示す実施例では、各々が四角形（１辺８２μｍ）の上面を有する８個のアノード電極層５が間隔を置いて行列状に配列されている。カソード電極６は、主面に垂直な方向から視たとき、概略的に格子形状を有しており、分割された個々のアノード電極層５の周囲４辺を取り囲むようにパターニングされている。この実施例では、距離Ｌａｃは４μｍ、距離Ｌは４５μｍに設定されている。

図２１Ｃに示す実施例でも、各々が四角形（１辺２８μｍ）の上面を有する４０個のアノード電極層５が間隔を置いて行列状に配列されている。カソード電極６は、主面に垂直な方向から視たとき、概略的に格子形状を有しており、アノード電極層５の分割された電極の周囲４辺を取り囲むようにパターニングされている。この実施例では、距離Ｌａｃは４μｍ、距離Ｌは１８μｍに設定されている。

図２１Ｂおよび図２１Ｃの実施例では、１つのチップに複数（８個以上）の電極に分割されたアノード電極層５が設けられているが、これらの分割電極は、不図示の導電膜（アノード電極パッド）によって覆われ、電気的に相互に接続される。

図２２Ａは、図２１Ａ、図２１Ｂ、図２１Ｃに示すＬＥＤ素子の光出力の測定結果を示すグラフである。このグラフは、ＬＥＤ素子に流れる電流を１０ｍＡとしたときの光出力の距離Ｌ依存を示しており、縦軸は、Ｌ＝１７５μｍのときの光出力を１として規格化した値である。

図２２Ｂは、図２１Ａ、図２１Ｂ、図２１Ｃに示すＬＥＤの外部量子効率（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の測定結果を示すグラフである。このグラフは、外部量子効率の最大値の距離Ｌ依存性を示しており、縦軸はＬ＝１７５μｍのときを１として規格化した値である。

距離Ｌの値を４５μｍから１８μｍに縮小すると、光出力および外部量子効率が向上することがわかる。このため、アノード電極層５は、より多くの個数の電極に分けて配列し、分割された個々の電極のサイズを小さくすることが好ましい。本実施例では、アノード電極層５を８個以上の電極に分けているが、１０個以上（例えば３０個以上）に分けることがより好ましい。

通常、アノード電極層および活性層の面積を小さくすると、電流密度が増加してＬＥＤの光出力および外部量子効率は低下する。このため、ｃ面ＧａＮのＬＥＤでは、アノード電極および活性層の面積を小さくする構造は採用されない。

一方、ｍ面ＧａＮのＬＥＤでは、ピエゾ電荷に起因するキャリアの量子閉じ込めシュタルク効果が発生しないため、井戸層の厚さをｃ面ＧａＮのＬＥＤよりも厚くすることができる。このため、大電流密度でｍ面ＧａＮのＬＥＤを動作させても、光出力および外部量子効率は低下せず、距離Ｌを縮小することによる本発明の効果が顕著に現れる。ｃ面ＧａＮのＬＥＤの井戸層の厚さは、通常３ｎｍ程度であるが、ｍ面ＧａＮのＬＥＤにおける井戸層の厚さは６ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲に設定することができる。

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子は、窒化ガリウム系化合物からなる非極性面の半導体基板を備え、ｎ型不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であるため、結晶性が良好である。また、特殊な電極配置を採用することにより、活性層の全体に十分な大きさの電圧を印加することが可能になるため、高い光出力を得ることができ、表示装置、照明装置、ＬＣＤバックライトの光源として用いることができる。

１ ｎ型基板
２ ｎ型導電層
３ 活性層
４ ｐ型導電層
５ アノード電極層
６ カソード電極層
７ ｍ面のｎ型ＧａＮ基板

Claims (15)

1. 主面および裏面を有し、前記主面が非極性面である窒化ガリウム系化合物からなる第１導電型半導体基板と、
   前記第１導電型半導体基板の前記主面上に形成された窒化ガリウム系化合物からなる第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層の第１領域上に設けられた半導体積層構造であって、窒化ガリウム系化合物からなる第２導電型半導体層、および、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に位置する活性層を含む半導体積層構造と、
   前記第１導電型半導体層の第２領域上に設けられた第１の電極層と、
   前記第２導電型半導体層上に設けられた第２の電極層と、
   を備える窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子であって、
   前記第１導電型半導体基板および前記第１導電型半導体層における第１導電型不純物の濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、
   前記主面に垂直な方向から視たとき、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間隔は４μｍ以下であり、かつ、前記第１の電極層のエッジのうちで前記第２の電極層に対向する部分からの距離が４５μｍ以下の領域内に前記第２の電極層が配置されている、窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
2. 前記第１の電極層は、第１の方向に延びる複数の延長部を有しており、
   前記第２の電極層は、前記第１の電極層が有する前記複数の延長部のうちの隣接する２つの延長部によって挟まれた領域に位置する部分を有している、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
3. 前記第１の電極層は、前記複数の延長部を相互に電気的に接続する少なくとも１つの相互接続部を有し、
   前記相互接続部は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延びている請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
4. 前記第２の電極層は、第１の方向に延びる複数の延長部を有しており、
   前記第１の電極層は、前記第２の電極層が有する前記複数の延長部のうちの隣接する２つの延長部によって挟まれた領域に位置する部分を有している、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
5. 前記第１の電極層および前記第２の電極層は、それぞれ、第１の方向に延びる複数の延長部を有しており、
   前記第１の電極層の複数の延長部と前記第２の電極層の複数の延長部とは、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って交互に配置されている、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
6. 前記第１の電極層は、前記複数の延長部を相互に電気的に接続する少なくとも１つの第１相互接続部を有し、
   前記第２の電極層は、前記複数の延長部を相互に電気的に接続する少なくとも１つの第２相互接続部を有し、
   前記第１相互接続部および前記第２相互接続部は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延びている請求項５に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
7. 前記第２の電極層は、複数の開口部を有しており、
   前記第１の電極層は、前記第２の電極層が有する前記複数の開口部の内部に配置された電極を含んでいる、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
8. 前記主面に垂直な方向から視たとき、前記第２の電極層が有する前記複数の開口部の内部に配置された前記電極の外周エッジは曲線である、請求項７に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
9. 前記第１の電極層は、複数の開口部を有しており、
   前記第２の電極層は、前記第１の電極層が有する前記複数の開口部の内部に配置された電極を含んでいる、請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
10. 前記半導体積層構造は、前記第１の電極層における前記複数の開口部に対応する複数の部分に分離されている、請求項９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
11. 前記第１の電極層は、前記複数の開口部を規定する格子形状の導電部分を有している、請求項９または１０に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
12. 前記複数の開口部の個数は８以上である請求項９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
13. 前記第１導電型半導体基板の前記主面は１辺の長さが５００μｍの正方形よりも小さい請求項１から１２のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
14. 動作時に前記第１の電極層と前記第２の電極層との間を流れる電流の密度が１５０Ａ／ｃｍ₂以上である請求項１３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。
15. 前記活性層は、井戸層とバリア層とが積層された量子井戸構造を有し、前記井戸層の厚さは６ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内にある請求項１から１４のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード素子。

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