JP5333382B2

JP5333382B2 - 発光素子

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Publication number: JP5333382B2
Application number: JP2010190778A
Authority: JP
Inventors: 真央神谷; 晋也坊山; 泰久牛田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: JP2012049366A; US8546836B2; US20120049236A1; CN102386295B; CN102386295A

Description

本発明は、２種類の電極が同一面側に設けられる発光素子に関する。

従来、発光素子として、負電極が表面に形成されたｎ型コンタクト層と、正電極が表面に形成されたｐ型コンタクト層とを有し、負電極とｎ型コンタクト層との界面に凹凸を設けたものが知られている（特許文献１参照）。特許文献１には、ｎ型コンタクト層の表面に凹凸を設けることにより、発光素子のＶｆ（順方向電圧）を低下させることができる、と記載されている。

特開平１０−０６５２１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発光素子では、負電極が素子の外周側の１箇所又は２箇所に配置されており、この構成では負電極の外周側のさらに正電極に近接する部分にしか電流が流れず、負電極とｎ型コンタクト層との界面に凹凸を設けたとしても、その効果は限定的である。

したがって、本発明の目的は、駆動電圧を小さくすることのできる発光素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、第１導電型の第１半導体層と、発光層と、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層とが積層され、前記第２半導体層及び前記発光層の一部が除去されて前記第１半導体層が露出した窒化物半導体からなる半導体積層構造と、前記第１半導体層の露出部分に形成された複数の凹部と、前記複数の凹部上に形成され、前記第１半導体層にオーミック接触する複数の第１電極と、前記第２半導体層にオーミック接触し、平面視にて前記複数の第１電極を包囲するように形成された複数の第２電極と、を備え、前記複数の第１電極は、それぞれ平面視にて点状に形成され、前記複数の凹部のそれぞれの１つに対して１つずつ形成されている発光素子が提供される。

上記発光素子において、前記凹部は、前記半導体積層構造の深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有してもよい。

本発明に係る発光素子によれば、駆動電圧を小さくすることができる。

図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の平面図である。図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の概要図である。図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の概要図である。図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の概要図である。図２Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の概要図である。図３Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の平面図である。図３Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。図３Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の縦断面図である。

［第１の実施の形態］
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の縦断面の概要を示し、図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の上面の概要を示す。なお、図１Ａは、図１ＢのＡ−Ａ線における縦断面の概要を示している。

この発光素子１は、図１Ａに示すように、Ｃ面（０００１）を有するサファイア基板１０と、サファイア基板１０上に設けられるバッファ層２０と、バッファ層２０上に設けられるｎ型半導体層からなるｎ側コンタクト層２２と、ｎ側コンタクト層２２上に設けられるｎ側クラッド層２４と、ｎ側クラッド層２４上に設けられる発光層２５と、発光層２５上に設けられるｐ側クラッド層２６と、ｐ側クラッド層２６上に設けられるｐ型半導体層であるｐ側コンタクト層２８とを含む半導体積層構造を備える。

また、発光素子１は、ｐ側コンタクト層２８から少なくともｎ側コンタクト層２２の表面までエッチングして除去することにより露出したｎ側コンタクト層２２上に設けられる第１電極としてのｎ電極４０と（図１Ｂ参照）、ｐ側コンタクト層２８上に設けられるｐコンタクト電極３０と、ｐコンタクト電極３０上の一部の領域に設けられる第２電極としてのｐ電極４２と、を備えている。さらに、発光素子１は、ｎ側コンタクト層２２上のｎ電極４０が配置される領域を露出させる開口５２並びにｐコンタクト電極３０上のｐ電極４２が配置される領域を露出させる開口５２を有するパッシベーション膜としての絶縁層５０と、絶縁層５０の内部に配置される反射層６０と、を備えている。さらにまた、発光素子１は、絶縁層５０の上面の一部を覆うと共にｎ電極４０上の開口５２に設けられる接合電極７０と、絶縁層５０の上面の一部を覆うと共にｐ電極４２上の開口５２に設けられる接合電極７２とを備える。なお、ｎ側の接合電極７０及びｐ側の接合電極７２は、各電極の側からバリア層とはんだ層とを有して形成することができる。

ここで、バッファ層２０と、ｎ側コンタクト層２２と、ｎ側クラッド層２４と、発光層２５と、ｐ側クラッド層２６と、ｐ側コンタクト層２８とはそれぞれ、III族窒化物化合物半導体からなる層である。III族窒化物化合物半導体は、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の四元系のIII族窒化物化合物半導体を用いることができる。

本実施形態においては、バッファ層２０は、ＡｌＮから形成される。そして、ｎ側コンタクト層２２とｎ側クラッド層２４とは、第１導電型の第１半導体層としてのｎ型半導体層２３を構成し、所定量のｎ型ドーパント（例えば、Ｓｉ）をドーピングしたｎ−ＧａＮからそれぞれ形成される。また、発光層２５は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮから形成される多重量子井戸構造を有する。更に、ｐ側クラッド層２６とｐ側コンタクト層２８とは、第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層としてのｐ型半導体層２７を構成し、所定量のｐ型ドーパント（例えば、Ｍｇ）をドーピングしたｐ−ＧａＮからそれぞれ形成される。

また、本実施形態に係るｐコンタクト電極３０は酸化物半導体から形成され、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）から形成される。そして、絶縁層５０は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から主として形成される。また、反射層６０は、絶縁層５０の内部に設けられ、発光層２５が発する光を反射する金属材料から形成される。反射層６０は、例えば、ＡｇまたはＡｌから形成される。

ｎ電極４０は、図１Ａに示すように、ｎ側コンタクト層２２上における、ｎ側クラッド層２４からｐ側コンタクト層２８までの複数の化合物半導体層を除去した複数の開口部の各々に設けられる。また、ｎ電極４０は、接合電極７０と接触する上面において、接合電極７０と非接触の外縁部が絶縁層５０に接する。

ここで、ｎ側コンタクト層２２の露出部分は、略平坦な平坦部４１ａと、平坦部４１ａに形成された凹部４１ｂと、を有している。ｎ電極４０は、凹部４１ｂの表面から、平坦部４１ａの表面にかけて連続的に形成され、ｎ側コンタクト層２２とオーミック接触する。本実施形態においては、凹部４１ｂは、半導体積層構造の深さ方向を中心軸とした逆円錐状に形成されており、ｎ電極４０は凹部４１ｂの傾斜面に形成された傾斜部４０ｂと、平坦部４１ａに形成された平坦部４０ａと、を有している。ｎ電極４０及び凹部４１ｂの平面視の形状は任意であるが、本実施形態においては、ｎ電極４０及び凹部４１ｂは同心の円状に形成される。ｎ電極４０及び凹部４１ｂの平面視の寸法も任意であるが、本実施形態においては、ｎ電極４０が直径５．０μｍ〜２０．０μｍであり、凹部４１ｂの直径はｎ電極４０の直径よりも小さく、３．０μｍ〜１５．０μｍである。また、凹部４１ｂの深さは任意であるが、本実施形態においては１．０μｍである。

一方、ｐ電極４２は、ｐコンタクト電極３０上に複数形成される。ｐコンタクト電極３０は、ｐ側コンタクト層２８とオーミック接触し、平面視にてｎ電極４０を包囲するように形成されている。また、ｐ電極４２は、接合電極７０と接触する上面において、接合電極７０と非接触の外縁部が絶縁層５０に接する。

絶縁層５０は、ｐ電極４２の形成領域を除いてｐコンタクト電極３０及び上記メサ部分を覆い、ｎ電極４０の形成領域を除いてｎ側コンタクト層２２を覆っている。なお、図１Ｂに示すように、接合電極７０及び接合電極７２が表面に露出しているので、ｎ電極４０、ｐ電極４２を平面視にて直接的に確認することはできない。

ｎ電極４０は、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｖ、Ｉｒ、及びＲｈの金属よりなる群から選ばれた少なくとも１種の金属を含んで形成される。また、ｐ電極４２は、最上層がＡｕを主として構成され、ｐコンタクト電極３０と接触する最上層はｐコンタクト電極３０との接触抵抗が低い材料との積層から形成することができる。

例えば、ｎ電極４０と、ｐ電極４２とを同一材料から形成する場合、各電極は、Ｎｉ又はＣｒと、Ａｕとを含む金属材料から形成することが好ましい。特にｎ側コンタクト層２２がｎ型のＧａＮから形成される場合、ｎ電極４０は、ｎ側コンタクト層２２の側からＮｉ層とＡｕ層とを含んで形成することができる。また、ｎ電極４０を、ｎ側コンタクト層２２の側からＣｒ層とＡｕ層とを含んで形成することもできる。また、ｐコンタクト電極３０が酸化物半導体から形成される場合、ｐ電極４２は、ｐコンタクト電極３０の側からＮｉ層とＡｕ層とを含んで形成することができる。また、ｐ電極４２を、ｐコンタクト電極３０の側からＣｒ層とＡｕ層とを含んで形成することができる。

ｎ側の接合電極７０及びｐ側の接合電極７２は、絶縁層５０におけるｐコンタクト電極３０と反対側の表面（すなわち、図１Ａ中の上面）に接触しており、絶縁層５０の表面の所定の領域を覆っている。ｐ側の接合電極７２は平面視にて略長方形状に形成され、ｎ側の接合電極７０は平面視にてｐ側の接合電極７２を半包囲するコの字状に形成される。

ｎ側の接合電極７０及びｐ側の接合電極７２は、絶縁層５０との接触部分に主としてＴｉから構成される金属層をバリア層として有する。また、各接合電極７０，７２は、バリア層上に、共晶材料、例えば、ＡｕＳｎから形成されるはんだ層を有することができる。はんだ層は、例えば、真空蒸着法（例えば、電子ビーム蒸着法、又は抵抗加熱蒸着法等）、スパッタ法、めっき法、スクリーン印刷法等により形成することができる。また、はんだ層は、ＡｕＳｎ以外の共晶材料からなる共晶はんだ又はＳｎＡｇＣｕ等の鉛フリーはんだから形成することもできる。

具体的に、バリア層は、絶縁層５０、ｎ電極４０又はｐ電極４２に接触する第１のバリア層と、第１のバリア層上に形成され、はんだ層を構成する材料の拡散を抑制する第２のバリア層とを含んで形成することができる。第１のバリア層は、ｎ電極４０を構成する材料、並びにｐ電極４２を構成する材料に対してオーミック接触すると共に密着性が良好な材料から形成され、例えば、Ｔｉから主として形成される。また、第２のバリア層は、はんだ層を構成する材料がｎ電極４０、並びにｐ電極４２側に拡散することを抑制することのできる材料から形成され、例えば、Ｎｉから主として形成される。

以上のように構成された発光素子１は、青色領域の波長の光を発するフリップチップ型の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。例えば、発光素子１は、順電圧が２．８Ｖで、順電流が２０ｍＡの場合に、ピーク波長が４５０ｎｍの光を発する。また、発光素子１は平面視にて略四角形状に形成される。発光素子１の平面寸法は、例えば、縦寸法及び横寸法がそれぞれ略３５０μｍである。なお、発光素子１は、ｐ電極及びｎ電極が同一面側に設けられているので、上記のようなフリップチップ型のＬＥＤの他、フェイスアップ型のＬＥＤに適用することもできる。

尚、サファイア基板１０の上に設けられるバッファ層２０からｐ側コンタクト層２８までの各層は、例えば、有機金属化学気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD）、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy : MBE）、ハライド気相エピタキシー法（Halide Vapor Phase Epitaxy : HVPE）等によって形成することができる。ここで、バッファ層２０がＡｌＮから形成されるものを例示したが、バッファ層２０はＧａＮから形成することもできる。また、発光層３０の量子井戸構造は、多重量子井戸構造でなく、単一量子井戸構造、歪量子井戸構造にすることもできる。

また、絶縁層５０は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等の金属酸化物、若しくはポリイミド等の電気絶縁性を有する樹脂材料から形成することもできる。そして、反射層６０は、Ａｇから形成することもでき、Ａｌ又はＡｇを主成分として含む合金から形成することもできる。また、反射層６０は、屈折率の異なる２つの材料の複数の層から形成される分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector : DBR）であってもよい。

更に、発光素子１は、紫外領域、近紫外領域、又は緑色領域にピーク波長を有する光を発するＬＥＤであってもよく、ＬＥＤが発する光のピーク波長の領域はこれらに限定されない。なお、他の変形例においては、発光素子１の平面寸法はこれに限られない。例えば、発光素子１の平面寸法を縦寸法及び横寸法がそれぞれ１ｍｍとなるよう設計することもでき、縦寸法と横寸法とを互いに異なるようにすることもできる。

図２Ａから図２Ｄは、第１の実施の形態に係る発光素子の製造工程の一例を示す。具体的に、図２Ａの（ａ）は、ｐコンタクト電極を形成するためのエッチングが施される前の縦断面図である。図２Ａの（ｂ）は、エッチングによりｐコンタクト電極が形成された後の縦断面図である。また、図２Ａの（ｃ）は、ｐコンタクト電極間に凹部を形成するためのマスクが形成された状態の縦断面図である。

まず、サファイア基板１０を準備して、このサファイア基板１０の上に、ｎ型半導体層と、発光層と、ｐ型半導体層とを含む半導体積層構造を形成する。具体的には、サファイア基板１０上に、バッファ層２０と、ｎ側コンタクト層２２と、ｎ側クラッド層２４と、発光層２５と、ｐ側クラッド層２６と、ｐ側コンタクト層２８と、ｐコンタクト電極３０とをこの順にエピタキシャル成長してエピタキシャル成長基板を形成する。本実施形態においてｐコンタクト電極３０はＩＴＯであり、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、又はゾルゲル法等により形成することもできる。そして、ｐコンタクト電極３０を残す領域にフォトレジストによるマスク２００をフォトリソグラフィー技術を用いて形成する（図２Ａ（ａ））。マスク２００は、後に凹部４１ｂが形成される部位に対応する領域に開口部を有して形成される。

次に、マスク２００が形成された部分を除く領域をエッチングした後、マスク２００を除去する。これにより、ｐコンタクト電極３０を形成する（図２Ａ（ｂ））。続いて、凹部４１ｂが形成される部分に対応する領域に開口部を有するマスク２０１をフォトリソグラフィー技術を用いてｐコンタクト電極３０及びｐ側コンタクト層２８上に形成する（図２Ａ（ｃ））。

図２Ｂ（ａ）は、エッチングにより凹部が形成された後の縦断面図である。図２Ｂ（ｂ）は、ｎコンタクト層の表面を露出させるためのエッチングが施される前の縦断面図である。図２Ｂ（ｃ）は、ｎ側コンタクト層に凹部を形成するためのエッチングが施された後の縦断面図である。
ｐコンタクト電極３０及びｐ側コンタクト層２８上にマスク２０１を形成した後、マスク２０１が形成されていない部分をエッチングし、ｐ側コンタクト層２８からサファイア基板１０側に向かって延びる逆円錐状の凹部４１０を形成し、その後マスク２０１を除去する（図２Ｂ（ａ））。

次に、ｐコンタクト電極３０及びその周辺部を覆うマスク２０２を形成する（図２Ｂ（ｂ））。そして、マスク２０２が形成されていない領域をｐ側コンタクト層２８からｎ側コンタクト層２２の表面までエッチングした後、マスク２０２を除去する。これにより、ｎ側クラッド層２４からｐ側コンタクト層２８までの複数の化合物半導体層から構成されるメサ部分が形成され、ｎ側コンタクト層２２の表面の一部が露出する。また、このエッチングでは、凹部４１０が形成されていた部分は他の部分よりも深くエッチングされるので、ｎ側コンタクト層２２に凹部４１ｂが形成される（図２Ｂ（ｃ））。尚、エッチング方法は任意であるが、ドライエッチングにより凹部４１ｂを形成すると、凹部４１ｂに傾斜面を形成しやすい。

図２Ｃ（ａ）は、ｎ電極を形成した後の縦断面図である。図２Ｃ（ｂ）は、第１の絶縁層を形成した後の縦断面図である。図２Ｃ（ｃ）は、反射層及び第２の絶縁層を形成した後の縦断面図である。
まず、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、ｎ電極４０をｎ側コンタクト層２２の凹部４１ｂの全面と、平坦部４１ａの一部の領域に形成する。さらに、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、ｐ電極４２をｐ側コンタクト層２８上に設けられたｐコンタクト電極３０の表面の一部の領域に形成する（図２Ｂ（ａ））。ｎ電極４０を構成する材料と、ｐ電極４２を構成する材料は、互いに異なっていても、同一であってもよい。両者の材料が同一である場合、ｎ電極４０とｐ電極４２を同時に形成できる。なお、ｎ電極４０とｐ電極４２を形成した後、ｎ側コンタクト層２２とｎ電極４０との間、並びにｐコンタクト電極３０とｐ電極との間のオーミック接触と密着性とを確保すべく、所定の温度、所定の雰囲気下で、所定の時間の熱処理を施すこともできる。

続いて、ｎ電極４０、並びにｐ電極を覆う絶縁層５０を形成する。具体的には、ｎ側コンタクト層２２、ｎ電極４０、メサ部分、ｐコンタクト電極３０、並びにｐ電極４２を覆う第１の絶縁層５０ａを、真空蒸着法により形成する。そして、第１の絶縁層５０ａの上であってｎ電極４０、並びにｐ電極４２の上方を除く所定の領域に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて反射層６０を形成する（図２Ｃ（ｂ））。次に、図２Ｃ（ｂ）の工程において形成された反射層６０の上側と、反射層６０が形成されていない部分の上側とに、真空蒸着法を用いて第２の絶縁層５０ｂを形成する（図２Ｃ（ｃ））。これにより反射層６０が第２の絶縁層５０ｂにより被覆される。そして、第１の絶縁層５０ａと第２の絶縁層５０ｂとから、本実施形態に係る絶縁層５０が構成される。

図２Ｄ（ａ）は、絶縁層の一部に開口を形成した後の縦断面図である。また、図２Ｄ（ｂ）は、バリア層及びはんだ層を形成した後の縦断面図である。

続いて、絶縁層５０におけるｎ電極４０の上側部分と、ｐ電極４２の上側部分とを、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて除去する。これにより、ｐ電極４２の上にスルーホールである開口５２が形成されると共に、ｎ電極４０の上にスルーホールである開口５２が形成される（図２Ｄ（ａ））。

次に、真空蒸着法及びフォトリソグラフィー技術を用いて、それぞれの開口５２の内側に、バリア層を形成する。ｎ電極４０上の開口５２に形成されたバリア層はｎ電極４０に電気的に接続する。また、ｐ電極４２上の開口５２に形成されたバリア層はｐ電極４２に電気的に接続する。続いて、バリア層の上にはんだ層を形成する。これにより、バリア層とはんだ層とからなる接合電極７０が形成され、図２Ｄ（ｂ）に示す発光素子１が製造される。

なお、ｎ電極４０、並びにｐ電極４２はそれぞれ、スパッタリング法により形成することもできる。また、絶縁層５０は、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition : CVD）により形成することもできる。そして、以上の工程を経て形成された発光素子１は、導電性材料の配線パターンが予め形成されたセラミック等から構成される基板の所定の位置に、フリップチップボンディングにより実装される。そして、基板に実装された発光素子１を、エポキシ樹脂又はガラス等の封止材で一体として封止することにより、発光素子１を発光装置としてパッケージ化できる。

本実施の形態に係る発光素子１は、ｎ側コンタクト層２２に深さ方向へ延びる凹部４１を形成し、凹部４１を利用して深さ方向へ延びるｎ電極４０を形成したので、ｎ電極４０とｎ側コンタクト層２２との間の抵抗を小さくして、発光素子１の駆動電圧を小さくすることができる。特に、深さ方向へ延びるｎ電極４０が、ｐ側のｐコンタクト電極３０により、平面視にて包囲されていることから、ｎ電極４０からｐコンタクト電極３０へ全方位に電流が流れるので、駆動電圧の低下が顕著となる。

また、ｎ電極４０が傾斜部４０ｂを有することから、発光層２５から出射した光を軸方向に反射させることができる。これにより、発光素子１の軸上方向の輝度を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
図３Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の上面の概要を示し、図３Ｂ及び図３Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の縦断面の概要を示す。具体的に図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ線における発光素子の縦断面の概要を示し、図３Ｃは、図３ＡのＢ−Ｂ線における発光素子の縦断面の概要を示す。

本発明の第２の実施の形態に係る発光素子１０１は、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、サファイア基板１１０と、サファイア基板１１０上に設けられるバッファ層１２０と、バッファ層１２０上に設けられるｎ側コンタクト層１２２と、ｎ側コンタクト層１２２上に設けられるｎ側クラッド層１２４と、ｎ側クラッド層１２４上に設けられる発光層１２５と、発光層１２５上に設けられるｐ側クラッド層１２６と、ｐ側クラッド層１２６上に設けられるｐ側コンタクト層１２８とを含む半導体積層構造を備える。

また、発光素子１０１は、ｐ側コンタクト層１２８上に設けられるｐコンタクト電極１３０と、ｐコンタクト電極１３０上の一部の領域に設けられる複数のｐ電極１４０と、を備えている。ｐコンタクト電極１３０は、ｐ側コンタクト層１２８とオーミック接触し、平面視にてｎ電極１４２を包囲する第２電極をなしている。さらに、発光素子１０１は、ｐ側コンタクト層１２８から少なくともｎ側コンタクト層１２２の表面まで複数のビアが形成され、当該ビアによって露出したｎ側コンタクト層１２２に設けられる複数のｎ電極１４２と、当該ビアの内面及びｐコンタクト電極１３０上に設けられる下部絶縁層１５０と、下部絶縁層１５０の内部に設けられる反射層１６０とを備える。尚、反射層１６０は、ｐ電極１４０及びｎ電極１４２の上方を除く部分に設けられている。

さらに、ｐコンタクト電極１３０に接する下部絶縁層１５０は、上下方向に延びるビア１５０ａを各ｐ電極１４０上に有するとともに、上下方向に延びるビア１５０ｂを各ｎ電極１４２上に有する。また、発光素子１０１は、下部絶縁層１５０上にｐ配線１７０とｎ配線１７２とを備える。ｐ配線１７０は、下部絶縁層１５０上を平面方向に延びる第２平面導通部７００と、ビア１５０ａを介して各ｐ電極１４０に電気的に接続する複数の第２上下導通部７０２とを有する。また、ｎ配線１７２は、下部絶縁層１５０上を平面方向に延びる第１平面導通部７２０と、下部絶縁層１５０のビア１５０ｂ及び半導体積層構造に形成されたビアを介して各ｎ電極１４２に電気的に接続する複数の第１上下導通部７２２とを有する。さらに、発光素子１０１は、ｐ配線１７０及びｎ配線１７２並びにｐコンタクト電極１３０に接し、下部絶縁層１５０上に設けられる上部絶縁層１８０と、上部絶縁層１８０に設けられたｐ側用の開口１８０ａを介してｐ配線１７０に電気的に接続するｐ側接合電極１９０と、上部絶縁層１８０に設けられたｎ側用の開口１８０ｂを介してｎ配線１７２に電気的に接続するｎ側接合電極１９２とを備える。

本実施形態においては、ｐ配線１７０の第２平面導通部７００、及びｎ配線１７２の第１平面導通部７２０は、ｐコンタクト電極１３０に接する下部絶縁層１５０の表面にそれぞれ形成されることにより、同一平面上に設けられる。また、本実施形態においては、ｐ側接合電極１９０及びｎ側接合電極１９２は、上部絶縁層１８０の表面に形成されることにより、同一平面上に設けられる。

ここで、バッファ層１２０と、ｎ側コンタクト層１２２と、ｎ側クラッド層１２４と、発光層１２５と、ｐ側クラッド層１２６と、ｐ側コンタクト層１２８とはそれぞれ、III族窒化物化合物半導体からなる層である。III族窒化物化合物半導体は、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の四元系のIII族窒化物化合物半導体を用いることができる。

本実施形態においては、バッファ層１２０は、ＡｌＮから形成される。そして、ｎ側コンタクト層１２２とｎ側クラッド層１２４とは、所定量のｎ型ドーパント（例えば、Ｓｉ）をそれぞれドーピングしたｎ−ＧａＮからそれぞれ形成される。また、発光層１２５は、複数の井戸層と複数の障壁層とを含んで形成される多重量子井戸構造を有する。発光層１２５は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等から形成される。さらに、ｐ側クラッド層１２６とｐ側コンタクト層１２８とは、所定量のｐ型ドーパント（例えば、Ｍｇ）をドーピングしたｐ−ＧａＮからそれぞれ形成される。

ｐコンタクト電極１３０は導電性酸化物から形成される。例えば、ｐコンタクト電極１３０は、ＩＴＯから形成することができる。また、ｐ電極１４０を構成する材料とｎ電極１４２を構成する材料とは同一である。なお、ｐ電極１４０及びｎ電極１４２を多層から形成する場合、それぞれの層構成は同一である。

また、本実施形態において複数のｐ電極１４０は、ｐコンタクト電極１３０上に規則的に配置される。同様に複数のｎ電極１４２は、発光素子１０１の厚さ方向において、複数のｐ電極１４０が設けられる平面とは異なる平面上（本実施形態においては露出したｎ側コンタクト層１２２の表面）に規則的に配置される。

ここで、ｎ側コンタクト層１２２におけるｎ電極１４２の形成部分は、略平坦な平坦部１４１ａと、平坦部１４１ａに形成された凹部１４１ｂと、を有している。本実施形態においては、凹部１４１ｂは断面矩形状に形成されており、ｎ電極１４２は凹部１４１ｂを埋めるとともに、平坦部１４１ａの表面に形成されている。

また、複数のｐ電極１４０は、図３Ａに破線で示すように、平面視にて、発光素子１０１の一辺を第１の軸に設定すると共に、この一辺に直交する辺を第２の軸と仮定した場合に、第１の軸及び第２の軸に沿って周期的に配置される。本実施形態においては、複数のｐ電極１４０は、所定の格子間隔を有する格子の格子点に対応する位置に配置される。また、複数のｎ電極１４２は、平面視にて各ｐ電極１４０と重ならない位置に周期的に配置される。本実施形態においては、複数のｎ電極１４２は、平面視にて４つのｐ電極１４０が４つの角に配置されてなる正方形であって、最小の正方形の面心位置（すなわち、当該正方形の２本の対角線の交点）にそれぞれ配置される。すなわち、各ｐ電極１４０と各ｎ電極１４２は、第１の軸及び第２の軸について互い違いの位置に配置されている。尚、各ｐ電極１４０及び各ｎ電極１４２の平面視における形状は、略円状、略多角形状（例えば、三角形、四角形、五角形、六角形等）にすることができる。

下部絶縁層１５０は、発光層１２５が発する光を反射する反射層１６０を含んで形成される。下部絶縁層１５０は、例えば、絶縁材料である二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から主として形成される。また、反射層１６０は、発光層１２５が発する光を反射する金属材料、例えば、Ａｌから形成される。

ｐ配線１７０及びｎ配線１７２はそれぞれ、主としてＴｉ、Ａｕ、Ａｌを含んで形成することができる。例えば、ｐ配線１７０及びｎ配線１７２はそれぞれ、下部絶縁層１５０に接する側からＴｉ層、Ａｕ層、Ａｌ層をこの順に含んで形成することができる。

また、ｐ配線１７０は、図３Ａに示すように、発光素子１０１の平面視にて、発光素子１０１の外周近傍であって、当該外周に沿って設けられる外周部１７０ａを有する。さらにｐ配線１７０は、外周部１７０ａの一辺から当該一辺の対辺に向けて伸びる複数のｐ側細線部１７０ｂを有する。複数のｐ側細線部１７０ｂは、長手方向において上記対辺に接しない範囲でそれぞれ略同一の長さを有しており、幅方向において略等しい間隔をおいて配置される。

また、ｎ配線１７２は、発光素子１０１の平面視にて、外周部１７０ａの内側であって、複数のｐ側細線部１７０ｂと垂直な方向に伸び、外周部１７０ａの上記対辺近傍に配置される辺部１７２ａと、辺部１７２ａから上記一辺に向けて伸びる複数のｎ側細線部１７２ｂとを有する。複数のｎ側細線部１７２ｂはそれぞれ、外周部１７０ａとｐ側細線部１７０ｂとの間、若しくは２本のｐ側細線部１７０ｂの間に、平面視にて、最近接の外周部１７０ａ及び最近接のｐ側細線部１７０ｂからの距離が略同一になる位置に配置される。したがって、複数のｐ側細線部１７０ｂと複数のｎ側細線部１７２ｂとは、平面視にて、互い違いに配置される。

図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、平面方向において第１平面導通部７２０と第２平面導通部７００との間に上部絶縁層１８０が配置されることにより、ｐ配線１７０とｎ配線１７２とは電気的に分離される。そして、化合物半導体層にオーミック接触するｐ電極１４０及びｎ電極１４２とは別に、下部絶縁層１５０と上部絶縁層１８０との間にｐ配線１７０及びｎ配線１７２とを設けることにより、オーミック電極機能と配線機能とを分離している。なお、上部絶縁層１８０は、ｐコンタクト電極１３０に接する下部絶縁層１５０と同様の材料から形成することができ、下部絶縁層１５０と一体的に絶縁層をなしている。

ｐ側接合電極１９０及びｎ側接合電極１９２はそれぞれ、共晶材料、例えば、ＡｕＳｎを含んで形成することができる。ｐ側接合電極１９０及びｎ側接合電極１９２はそれぞれ、平面視にて略長方形状に形成される。ｐ側接合電極１９０及びｎ側接合電極１９２の平面視におけるサイズは、例えば、ｐ側接合電極１９０の面積をｎ側接合電極１９２の面積より大きくすることができる。なお、ｐ側接合電極１９０及びｎ側接合電極１９２の平面視における形状、及び面積は、発光素子１０１の特性評価時に用いる測定装置のプローブとの接触のさせ方、及び／又は発光素子１０１を実装する搭載基板等に応じて適宜変更することができる。

また、ｐ側接合電極１９０及びｎ側接合電極１９２は、例えば、真空蒸着法（例えば、電子ビーム蒸着法、又は抵抗加熱蒸着法等）、スパッタ法、めっき法、スクリーン印刷法等により形成することができる。なお、ｐ側接合電極１９０及びｎ側接合電極１９２は、ＡｕＳｎ以外の共晶材料からなる共晶はんだ又はＳｎＡｇＣｕ等の鉛フリーはんだから形成することもできる。さらに、ｐ側接合電極１９０及びｎ側接合電極１９２は、ｐ配線１７０及びｎ配線１７２の側から、バリア層とはんだ層とを有して形成することができる。

具体的に、バリア層は、ｐ配線１７０及びｎ配線１７２に接触する第１のバリア層と、第１のバリア層上に形成され、はんだ層を構成する材料の拡散を抑制する第２のバリア層とを含んで形成することができる。第１のバリア層は、ｐ配線１７０を構成する材料及びｎ配線１７２を構成する材料に対してオーミック接触すると共に密着性が良好な材料から形成され、例えば、Ｔｉから主として形成される。また、第２のバリア層は、はんだ層を構成する材料がｐ配線１７０及びｎ配線１７２側に拡散することを抑制することのできる材料から形成され、例えば、Ｎｉから主として形成される。尚、ｐ側接合電極１９０を構成する材料と、ｎ側接合電極１９２を構成する材料とを同一にすることができる。

本実施の形態に係る発光素子１０１は、ｎ側コンタクト層１２２に深さ方向へ延びる凹部１４１を形成し、凹部１４１を利用して深さ方向へ延びるｎ電極１４２を形成したので、ｎ電極１４２とｎ側コンタクト層１２２との間の抵抗を小さくして、発光素子１０１の駆動電圧を小さくすることができる。特に、深さ方向へ延びるｎ電極１４２が、ｐコンタクト電極１３０により、平面視にて包囲されていることから、ｎ電極１４２からｐコンタクト電極１３０へ全方位に電流が流れるので、駆動電圧の低下が顕著となる。

尚、本実施形態においては、ｐ配線１７０の第２平面導通部７００とｎ配線１７２の第１平面導通部７２０とは同一平面上に設けたが、これらを異なる平面上に設けることもできる。例えば、ｐコンタクト電極１３０に接する下部絶縁層１５０の厚さを変えることにより、ｐ配線１７０が設けられる平面よりｎ配線１７２が設けられる平面を高くする、若しくは低くすることができる。これにより、平面視にて、第１平面導通部７２０と第２平面導通部７００が重なるように配置することができ、素子の設計自由度が向上する。さらに、ｐ電極１４０及びｎ電極１４２の平面視におけるサイズは上記例に限られない。そして、ｐ電極１４０及びｎ電極１４２の配置も上記例に限られない。また、平面視にてｎ電極１４２の全周囲がｐコンタクト電極１３０により包囲されているものに限らず、少なくともｎ電極１４２を中心とした半周以上の領域においてｎ電極１４２を包囲するようにｐコンタクト電極１３０が形成されていればよい。また、凹部の形状は、逆円錐状に限らず、逆円錐の先端が平坦になった形状でもよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１発光素子
１０サファイア基板
２０バッファ層
２２ｎ側コンタクト層
２４ｎ側クラッド層
２５発光層
２６ｐ側クラッド層
２８ｐ側コンタクト層
３０ｐコンタクト電極
４０ｎ電極
４０ａ平坦部
４０ｂ傾斜部
４１ａ平坦部
４１ｂ凹部
４２ｐ電極
５０絶縁層
５０ａ第１の絶縁層
５０ｂ第２の絶縁層
５２開口
６０反射層
７０接合電極
１０１発光素子
１１０サファイア基板
１２０バッファ層
１２２ｎ側コンタクト層
１２４ｎ側クラッド層
１２５発光層
１２６ｐ側クラッド層
１２８ｐ側コンタクト層
１３０透明導電層
１４０ｐ電極
１４１ａ平坦部
１４１ｂ凹部
１４２ｎ電極
１５０絶縁層
１５０ａビア
１５０ｂビア
１６０反射層
１７０ｐ配線
１７０ａ外周部
１７０ｂｐ側細線部
１７２ｎ配線
１７２ａ辺部
１７２ｂｎ側細線部
１８０絶縁層
１８０ａ開口
１８０ｂ開口
１９０ｐ側接合電極
１９２ｎ側接合電極
２００マスク
２０２マスク
２０４マスク
７００第２平面導通部
７０２第２上下導通部
７２０第１平面導通部
７２２第１上下導通部

Claims

第１導電型の第１半導体層と、発光層と、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層とが積層され、前記第２半導体層及び前記発光層の一部が除去されて前記第１半導体層が露出した窒化物半導体からなる半導体積層構造と、
前記第１半導体層の露出部分に形成された複数の凹部と、
前記複数の凹部上に形成され、前記第１半導体層にオーミック接触する複数の第１電極と、
前記第２半導体層にオーミック接触し、平面視にて前記複数の第１電極を包囲するように形成された複数の第２電極と、を備え、
前記複数の第１電極は、それぞれ平面視にて点状に形成され、前記複数の凹部のそれぞれの１つに対して１つずつ形成されている発光素子。
前記複数の凹部は、前記半導体積層構造の深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有する請求項１に記載の発光素子。