JP2007165725A - 半導体発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】段差部のドライエッチングによる損傷の影響を抑え、素子特性や信頼性を高めることができる半導体発光ダイオードを提供する。
【解決手段】第１領域１０Ａにｐ側電極２１、第２領域１０Ｂにｎ側電極２２を設ける。両者の間の境界領域１０Ｃを、平坦部３２を間にして、ｐ型クラッド層１３内の第１段差部３１と、ｐｎ接合部１４をまたぐ第２段差部３３との２段構造とする。平坦部３２におけるｐ型クラッド層１３の厚みが小さくなり、電流が横方向に広がりにくくなる。ｐ側電極２１から注入された電流Ｃは、第１段差部３１に沿って平坦部３２まで下降してｎ型クラッド層１２に入ったのち、横方向にｎ側電極２２に向かって流れ、電流Ｃの経路が第２段差部３３から遠ざかる。第２段差部３３の表面のｐｎ構造にドライエッチングによる損傷が生じていてもリークパスなどの発生が抑えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板の片側に第１電極および第２電極を設けた半導体発光ダイオードに係り、特に青ないし緑色の光を発生するものに好適な半導体発光ダイオードに関する。

代表的な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（以下、「窒化物半導体」という。）であるＧａＩｎＮ混晶は、インジウム組成比により禁制帯幅が０．８ｅＶから３．２ｅＶまで変化し、また直接遷移の半導体材料であり、紫外領域，全可視領域および赤外領域までの広い波長範囲にわたる発光・受光素子の構成材料として期待されている。既に、紫外，青および緑色並びに白色の発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）や、Blu-ray （ブルーレイ）規格の発振波長４０５ｎｍのレーザは実用化されており、その高性能化が図られている。更には、発振波長４５０ｎｍの純青色レーザなどもほぼ実用化段階に入っている。また、この材料は、高電界での飽和速度が大きく、耐熱性および耐放射線性にも優れていることから、高出力高周波トランジスタなどの電子素子を構成する材料としても注目されている。

図２５は、このようなＧａＩｎＮ混晶を用いた従来の半導体発光ダイオードの一例を表している。この半導体発光ダイオードは、サファイア等の絶縁性材料よりなる基板１１１上に形成されており、ｎ型層１１２およびｐ型層１１３によりｐｎ接合部１１４が構成されている。ｐ型層１１３上には、高反射材料よりなるｐ側電極１２１が設けられている。ｐ型層１１３，およびｎ型層１１２の厚み方向一部は例えばドライエッチングにより除去されて段差部１３０となっており、ｎ型層１１２の露出面にｎ側電極１２２が設けられている。このように基板１１１の片側にｐ側電極１２１およびｎ側電極１２２を設けた半導体発光ダイオードでは、発生した光は基板１１１の裏側から外部へ取り出される。

基板１１１としては、ＳｉＣまたはＧａＮなど導電性のものを用いることもある。これらの基板は発光波長に対して透明なので、サファイア基板の場合と同様に、基板の片側にｐ側電極およびｎ側電極を設け、基板の裏側から光を取り出すフリップチップ型の構造とされることが多い。これは、基板の裏側に電極などを設けると、電極などで吸収される光の損失が大きくなってしまうという素子性能設計上の理由による。

このように基板の片側にｐ側電極およびｎ側電極を設けた半導体発光ダイオードでは、ｐ側電極１２１から注入された電流Ｃは、ｎ型層１１２内を基板面に平行な方向（以下「横方向」という。）に流れる。また、高反射材料よりなるｐ側電極１２１の面積を大きくして光の取り出し効率を上げるため、ｐ側電極１２１は、ｐ型層１１３の周囲の段差部１３０ぎりぎりまで形成されており、ｐ側電極１２１の端と段差部１３０に露出したｐｎ接合部１１４との距離Ｘ_LED は、例えばリソグラフィの制御限界である数μｍまで近接している。その結果、電流Ｃは段差部１３０近傍を流れることになる。
特許第３５７６９６３号明細書（段落００１３）

しかしながら、この段差部１３０には、ドライエッチングにより表面のｐｎ構造に損傷が生じており、表面にリークパスが発生するなど、素子特性や信頼性に影響を及ぼしていた。

なお、例えば特許文献１には、窒化物半導体発光素子においては発光層の端面から発せられる発光成分が比較的大きいことから、ｐ型半導体層にエッチング加工を施して櫛型の凹部を設け、発光領域の端面を増やすことにより光取り出し効率を上げるようにした構造が記載されている。しかし、この構造では、ドライエッチングによる段差部も増えることになるので、段差部の損傷による素子特性や信頼性への影響はますます看過しがたいものとなっていた。また、凹部を設けることにより光取り出し効率が高くなる反面、ｐ型半導体層すなわち発光領域の面積が減少するので、同じ電流に対して電流密度があがり、発光効率が低下してしまうという問題もあった。

ちなみに、半導体レーザの場合には、図２６に示したように、ｐ型クラッド層１１３に突条部（リッジ）１１３Ａが設けられていることを除いて、構成は半導体発光ダイオードとほぼ同様である。しかし、突条部１１３Ａの幅は例えば１μｍ〜２μｍであり、レーザストライプ幅Ｗ_LDが例えば３００μｍであるのに対して十分に狭い。よって、突条部１１３Ａ上のｐ側電極１２１の端と段差部１３０に露出したｐｎ接合部１１４との距離Ｘ_LDは、例えば約２０μｍ〜７０μｍと十分に離して設計することが可能である。電流は主に突条部１１３Ａの下方に流れ、段差部１３０近傍にはほとんど流れないので、段差部１３０にドライエッチングによる損傷が生じていてもその影響は現れにくい。

また、電流Ｃが横方向に流れる構造をとる場合、動作電圧を下げるにはｎ型層１１２の抵抗が低いことが必要である。そのため、ｎ型層１１２の不純物添加条件や厚み設計により、ｎ型層１１２またはｎ側電極１２２の接触抵抗が素子の動作電圧上昇にあまり影響しないようにしている。しかし、ｎ型層１１２を著しく厚くすると、結晶成長時間が増大するだけでなく、基板１１１とｎ型層１１２との熱膨張係数の違いによる反りが大きくなってしまい、リソグラフィやチップのペレタイズ等の製造工程や実装工程に影響するという問題があった。

このようにｎ型層１１２の抵抗が有限で、電流Ｃが横方向に流れる構造である限り、図２７に模式的に示したように、ｐｎ境界の段差部１３０近傍に電流が集中し、段差部１３０からの距離が長い場所には電流があまり流れない、いわゆるカレントクラウディング現象が生じてしまっていた。光出力は電流注入密度に依存性があるので、電流注入が不均一であると発光効率や素子特性の低下を招いていた。電流Ｃの流れる距離を短くするには、素子サイズを小さくすればよいが、それでは高出力の素子を設計することはできなかった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、段差部のドライエッチングによる損傷の影響を抑えることができ、素子特性や信頼性を高めることができる半導体発光ダイオードを提供することにある。

本発明の第２の目的は、電流注入の不均一を低減し、発光効率を向上させることができる半導体発光ダイオードを提供することにある。

本発明の第３の目的は、光取り出し効率を高めると共に発光効率を向上させることができる半導体発光ダイオードを提供することにある。

本発明による第１の半導体発光ダイオードは、ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、第２導電型半導体層の一部領域を含み、第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、第１領域と第２領域との間に設けられ、第１導電型半導体層の表面から厚み方向一部にかけて形成された第１段差部、第１段差部に連続し、第１導電型半導体層内に形成された平坦部、および、平坦部に連続し、ｐｎ接合部をまたいで形成された第２段差部を有する境界領域とを備えたものである。

本発明の第１の半導体発光ダイオードでは、境界領域が、平坦部を間にして、第１導電型半導体層内の第１段差部と、ｐｎ接合部をまたぐ第２段差部との２段構造とされているので、平坦部における第１導電型半導体層の厚みが小さくなっており、電流が横方向に広がりにくくなっている。よって、第１電極から注入された電流は、第１段差部に沿って平坦部まで下降して第２導電型半導体層に入ったのち、横方向に第２電極に向かって流れ、電流経路が第２段差部から遠ざかる。従って、第２段差部の表面のｐｎ構造に損傷が生じていてもリークパスなどの発生が抑えられる。

本発明による第２の半導体発光ダイオードは、ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、第２導電型半導体層の一部領域を含み、第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、第１領域と第２領域との間に設けられた境界領域とを有し、第１領域内に凹部が設けられ、凹部の底面は第２領域となっており、第１電極は凹部を取り囲むように形成される一方、凹部の底面に第２電極が設けられ、第１電極のすべての位置で第２電極との最短距離Ｍは７０μｍ以下であるものである。

ここに最短距離Ｍは、第１電極の各座標ごとに最も近接する第２電極との距離を求めた場合の、その最大値をいう。

本発明の第２の半導体発光ダイオードでは、第１電極のすべての位置で第２電極との最短距離Ｍは７０μｍ以下とされているので、実際に電流が横方向に流れる距離が短くなり、第１電極の周辺部と中央部との電流注入むらが改善される。よって、動作電圧が下がり、発光効率が高くなる。

本発明による第３の半導体発光ダイオードは、ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、第２導電型半導体層の一部領域を含み、第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、第１領域と第２領域との間に設けられた境界領域とを有し、第１領域内に凹部が設けられ、凹部の底面は第２領域となっており、第１領域の面積Ｓと総周辺長Ｌとは数１を満たし、かつ、面積Ｓは、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上であるものである。

（数１）
ａ＝Ｌ／√Ｓ
ａ＞１０
（数１においてａは第１領域の形状の複雑さの指標を表す。）

本発明の第３の半導体発光ダイオードでは、第１領域の面積Ｓと総周辺長Ｌとが数１を満たし、かつ、面積Ｓが、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上とされているので、総周辺長Ｌを長くして光取り出し効率を高めつつ、十分に大きな面積Ｓが確保されており、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下が抑えられる。

本発明の第１の半導体発光ダイオードによれば、境界領域を、平坦部を間にして、第２導電型半導体層内の第１段差部と、ｐｎ接合部をまたぐ第２段差部とに分けた２段構造としたので、電流注入効率を上げるため第１段差部ぎりぎりまで第１電極を設けても、第２段差部のドライエッチングによる損傷の影響を抑えることができる。よって、素子特性や信頼性を高めることができる。

本発明の第２の半導体発光ダイオードによれば、第１電極のすべての位置で第２電極との最短距離Ｍを７０μｍ以下としたので、実際に電流が横方向に流れる距離を短くして、電流注入むらを改善することができる。よって、動作電圧を下げて発光効率を高め、素子性能を向上させることができる。

本発明の第３の半導体発光ダイオードによれば、第１領域の面積Ｓと総周辺長Ｌとが数１を満たすようにすると共に、面積Ｓを、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上としたので、総周辺長Ｌを長くして光取り出し効率を向上させつつ、十分な面積Ｓを確保することができる。よって、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下を抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの断面構成を表し、図２はその平面構成を概略的に表したものである。この半導体発光ダイオードは、信号機などの表示素子，灯りまたはディスプレイなどに用いられるものであり、例えばサファイア等の絶縁性材料よりなる基板１１上に形成されている。また、この半導体発光ダイオードは、正方形の第１領域１０Ａと、この第１領域１０Ａを枠状に囲む第２領域１０Ｂとを有し、両者の間に境界領域１０Ｃが設けられている。なお、実際の素子形状は図２に近いが、図１ではわかりやすくするため境界領域１０Ｃをやや広めに表している。

第１領域１０Ａは、ｎ型層１２およびｐ型層１３を含み、これら両層によりｐｎ接合部１４が構成されている。ｐ型層１３の表面には、ｐ側電極２１が設けられている。ｎ型層１２は、例えば、積層方向における厚み（以下、単に「厚み」という。）が１μｍないし６μｍ程度であり、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮ，ｎ型ＡｌＧａＮ，ｎ型ＧａＩｎＮまたはｎ型ＧａＮにより構成されている。ｐ型層１３は、例えば、厚みが０．１μｍないし１μｍ程度であり、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ，ｐ型ＡｌＧａＮ，ｐ型ＧａＩｎＮまたはｐ型ＧａＮにより構成されている。ｐ側電極２１は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）層またはニッケル（Ｎｉ）層を第一層に用い、例えばパラジウム（Ｐｄ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｐ型層１３側から順に積層した構成を有し、ｐ型層１３に電気的に接続されている。ｐ側電極２１は、第１領域１０Ａの全部に形成されている必要はなく、第１領域１０Ａの一部に形成されていてもよい。

第２領域１０Ｂは、ｎ型層１２の一部領域を含み、このｎ型層１２の表面にｎ側電極２２が設けられている。ｎ側電極２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｎ型層１２側から順に積層した構成を有し、ｎ型層１２に電気的に接続されている。ｎ側電極２２は、第２領域１０Ｂの全部に形成されている必要はなく、第２領域１０Ｂの一部に形成されていてもよい。

なお、ｐ側電極２１およびｎ側電極２２の一部には、電極取り出しのためのバンプやはんだ接着層などを設けるため、例えば直径１００μｍ程度のパッド領域（図示せず）が設けられている。このパッド領域は、実装時の信頼性により、例えば３箇所以上設けられる場合もある。

境界領域１０Ｃには、第１領域１０Ａ側から順に、第１段差部３１，平坦部３２および第２段差部３３が連続して形成されている。第１段差部３１は、ｐ型層１３の表面から厚み方向一部にかけて形成されている。平坦部３２は、第１段差部３１に連続し、ｐ型層１３内に形成されている。第２段差部３３は、平坦部３２に連続し、ｐｎ接合部１４をまたいで形成されている。これにより、この半導体発光ダイオードでは、平坦部３２におけるｐ型クラッド層１３の厚みを小さくして電流Ｃの横方向への広がりを低減し、電流Ｃの経路を第２段差部３３から遠ざけて、第２段差部３３のドライエッチングによる損傷の影響を抑えることができるようになっている。

平坦部３２におけるｐ型層１３の厚みＴは、例えば０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることが好ましい。電流経路の観点からは厚みＴは小さいほうがよいが、エッチングプロセスの制御性、また、平坦部３２の表面のドライエッチングによる損傷（深さ０．０５μｍないし０．１μｍ以下）がｐｎ接合部１４に達しないことが必要なので、厚みＴは上記範囲内とされる。

また、平坦部３２の幅Ｗは、例えば０．５μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。幅Ｗが厚みＴよりも大きければ（Ｗ＞Ｔ）電流制御の観点からは十分であるが、実際にはウェハプロセス上の寸法やアライメント精度の問題があるので、幅Ｗを１μｍ未満に制御することが難しく、一方、幅Ｗをより大きくすることは素子面積の有効活用上必要でないからである。

第１段差部３１および第２段差部３３の、ｎ型層１２の露出面に対する傾斜角度θは、例えば３０°〜４０°であることが好ましい。第１段差部３１または第２段差部３３で反射した光が基板１１に入射する角度を大きくすることができるので、光の取り出し効率を高めることができるからである。

この半導体発光ダイオードの中心を通る長さＤ（素子サイズ）は、２５０μｍ以上であることが好ましい。窒化物半導体では効率の電流依存性が大きく、図３に示したように、一般には動作電流は効率最大の条件よりも大きくされているので、高出力設計には、効率を下げないために素子サイズを大きくすることが必要となるからである。また、高出力設計には、排熱性の点からも素子サイズが大きい方が有利だからである。

この半導体発光ダイオードは、例えば次のようにして製造することができる。

まず、例えば、図４（Ａ）に示したように、サファイアよりなる基板１１を用意し、この基板１１の上に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により、上述した厚みおよび材料よりなるｎ型層１２およびｐ型層１３を順に形成する。次いで、同じく図４（Ａ）に示したように、ｐ型層１３の上に、例えば蒸着法により、パラジウム（Ｐｄ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層を順に積層し、ｐ側電極２１を形成するための金属膜２１Ａを形成する。

続いて、図４（Ｂ）に示したように、金属膜２１Ａ上にフォトレジスト膜４１を、第１領域１０Ａの形成予定領域１０Ａ１のみを覆うように形成し、このフォトレジスト膜４１をマスクとして、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法により金属膜２１Ａを選択的に除去する。更に、ｐ型層１３の厚み方向一部を選択的に除去し、第１段差部３１を形成する。そののち、フォトレジスト膜４１を除去する。これにより、ｐｎ接合部１４を構成するｎ型層１２およびｐ型層１３を含み、ｐ型層１３の表面にｐ側電極２１を有する第１領域１０Ａが形成される。

第１領域１０Ａを形成したのち、図５（Ａ）に示したように、フォトレジスト膜４２を、第１領域１０Ａおよび第１段差部３１を覆うように形成する。このとき、平坦部３２を形成するため、フォトレジスト膜４２を、第１段差部３１を超えてｐ型クラッド層１３の平坦な表面にも延在させる。続いて、同じく図５（Ａ）に示したように、このフォトレジスト膜４２をマスクとして、例えばＲＩＥ法により、ｐ型クラッド層１３の厚み方向残部，およびｎ型クラッド層１２の厚み方向一部を選択的に除去し、ｎ型クラッド層１２を露出させると共に第２段差部３３をｐｎ接合部１４をまたいで形成する。そののち、フォトレジスト４２を除去する。これにより、平坦部３２を間にして第１段差部３１と第２段差部３３との２段構造を有する境界領域１０Ｃが形成される。

境界領域１０Ｃを形成したのち、図５（Ｂ）に示したように、ｎ型クラッド層１２の露出した表面に、例えば蒸着法により、ｎ側電極２２を形成する。これにより、図１および図２に示した半導体発光ダイオードが完成する。

この半導体発光ダイオードでは、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に所定の電圧が印加されると、電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。ここでは、境界領域１０Ｃが、平坦部３２を間にして、ｐ型クラッド層１３内の第１段差部３１と、ｐｎ接合部１４をまたぐ第２段差部３３との２段構造とされているので、平坦部３２におけるｐ型クラッド層１３の厚みが小さくなっており、電流が横方向に広がりにくくなっている。よって、ｐ側電極２１から注入された電流Ｃは、第１段差部３１に沿って平坦部３２まで下降してｎ型クラッド層１２に入ったのち、横方向にｎ側電極２２に向かって流れ、電流Ｃの経路が第２段差部３３から遠ざかる。従って、第２段差部３３の表面のｐｎ構造に損傷が生じていてもリークパスなどの発生が抑えられる。

このように本実施の形態の半導体発光ダイオードでは、境界領域１０Ｃを、平坦部３２を間にして、ｐ型クラッド層１３内の第１段差部３１と、ｐｎ接合部１４をまたぐ第２段差部３３とに分けた２段階構造としたので、電流注入効率を上げるため第１段差部３１ぎりぎりまでｐ側電極２１を設けても、第２段差部３３のドライエッチングによる損傷の影響を抑えることができる。よって、素子特性や信頼性を高めることができる。

なお、本実施の形態では、基板１１がサファイアにより構成されている場合について説明したが、ＧａＮ基板でもよい。

また、本実施の形態では、第１領域１０Ａが正方形である場合について説明したが、第１領域１０Ａの形状は特に限定されない。例えば、第１領域１０Ａは、図６のような円形、または図７のような長方形でもよい。

また、第２領域１０Ｂの幅は必ずしも一様である必要はなく、部分的に異なっていてもよい。例えば、図８に示したように、第２領域１０Ｂの幅を第１領域１０Ａの一角で広くして、例えば第１領域１０Ａの一辺の３分の１程度の正方形としてもよい。あるいは、図９に示したように、第２領域１０Ｂの幅を第１領域１０Ａの対向する二辺の中央で広くしてもよい。

更に、複数の第１領域１０Ａを並べて一つの半導体発光ダイオードを構成することも可能である。例えば、図１０に示したように、四つの長方形の第１領域１０Ａの周囲に、それぞれ境界領域１０Ｃおよび第２領域１０Ｂを枠状に設けるようにしてもよい。この場合、ｐｎ接合部１４の面積が減らないよう、第１領域１０Ａの数は１個ないし５個程度以下とし、各第１領域１０Ａは矩形またはそれに近い形状とすることが望ましい。

（第２の実施の形態）
図１１は本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの断面構成を表し、図１２はその平面構成を概略的に表したものである。この半導体発光ダイオードは第１の実施の形態と同様に、第１領域１０Ａと第２領域１０Ｂとの間に境界領域１０Ｃを設けたものである。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。

本実施の形態では、正方形の第１領域１０Ａの周囲に第２領域１０Ｂが形成されている。第２領域１０Ｂの幅は、第１領域１０Ａの一角において広くされ、例えば第１領域１０Ａの一辺の３分の１程度のほぼ正方形となっている。境界領域１０Ｃは、例えば、段差部３４を有している。この段差部３４は、ｐ型クラッド層１３の表面からｎ型クラッド層１２の露出面にかけて形成されている。また、第１の実施の形態と同様に、この半導体発光ダイオードの中心を通る長さＤ（素子サイズ）は２５０μｍ以上であることが好ましい。

第１領域１０Ａの各辺には、周囲から内部へ延びる切込み状の凹部１０Ｄが設けられ、この凹部１０Ｄの底面は第２領域１０Ｂとなっている。ｐ側電極２１は凹部１０Ｄを取り囲むように形成される一方、凹部１０Ｄの底面にはｎ側電極２２が形成されている。なお、凹部１０Ｄの側面は境界領域１０Ｃとなっている。

ｐ側電極２１のすべての位置でｎ側電極２２との最短距離Ｍは７０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以下であればより好ましい。この範囲内であれば、実際に電流が横方向に流れる距離を短くして、電流注入むらを改善し、動作電圧を下げたり発光効率を高めることができるからである。なお、図面では、最短距離Ｍを表す矢印を、半導体発光ダイオードをｐ側電極２１側から見たときの平面上の距離として記載しているが、この距離は、必ずしも実際に電流が横方向に流れる距離と等しくなるとは限らない。

最短距離Ｍは、広義においては、素子の寸法（一辺，長辺または直径）に対して、ｐ側電極２１の各座標ごとのｎ側電極２２までの距離を求めた場合の、その最大値を表し、この値が小さいほど（概ねＭ＜０．１）ｐ側電極２１はｎ側電極２２に近いことになる。定性的に表現すれば、第１領域１０Ａが丸や矩形ではなく、細長い、あるいは入り組んだ形状であることを表す。

素子性能上は、最短距離Ｍは相対値としてではなく、実際に電流が横方向に流れる距離として問題になる。すなわち、第１領域１０Ａが正方形であっても、横方向電流経路が一辺の２分の１以上になることはないので、例えば一辺が２００μｍの正方形の第１領域１０Ａの周囲に枠状の第２領域１０Ｂを有する半導体発光ダイオードでは、電流が横方向に流れる距離は最大でも１００μｍとなる。しかし、第１領域１０Ａの一辺を１ｍｍとすると、電流が横方向に流れる距離は５００μｍにもなってしまい、電流注入むらが生じるおそれがある。

また、第１領域１０Ａの面積Ｓと総周辺長Ｌとは数２を満たし、かつ、面積Ｓは、第１領域１０Ａ，第２領域１０Ｂおよび境界領域１０Ｃの合計面積の７０％以上であることが好ましい。総周辺長Ｌを長くして光取り出し効率を向上させつつ、十分な面積Ｓを確保できるように最適化することができ、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下を抑えることができるからである。

（数２）
ａ＝Ｌ／√Ｓ
ａ＞１０
（数２においてａは第１領域１０Ａの形状の複雑さの指標を表す。）

ａは、面積Ｓに対する総周辺長Ｌの比率であり、第１領域１０Ａの形状の入り組みの程度を表している。すなわち、ａの値が大きいほど第１領域１０Ａの形状が入り組んでいることを表す。

ａの値を大きくし、第１領域１０Ａを入り組んだ形状とすることは、光取り出し効率の向上につながる。すなわち、発生した光のうちには、基板１１の外部に出力されない成分があり、これは、素子の内部と外部との界面あるいは素子内の屈折率の異なる層の間の界面と、ｐ側電極２１との間で反射する。ｐ側電極２１での反射率は１００％ではないので、反射のたびに吸収損失が発生し、反射を繰り返すうちに減衰してしまう。図１３（Ａ）に示したように、凹部１０Ｄが設けられていない場合には、第１領域１０Ａの幅が大きく、発生した光が境界領域１０Ｃに達するまでの反射回数が多く、吸収損失も大きくなる。これに対して、図１３（Ｂ）に示したように、凹部１０Ｄを設けた場合には、発生した光が境界領域１０Ｃに達するまでの反射回数を少なくすることができ、光の吸収損失を小さくして取り出し効率を高めることができる。更に、このとき、段差部３４の傾斜角θは、例えば３０°〜４０°程度に浅くすることが好ましい。段差部３４で反射した光を基板１１に深い角度で入射させ、素子外部に効率よく取り出すことができるからである。図１３（Ｃ）に示したように、段差部３４の傾斜角θが垂直に近い角度の場合には、段差部３４で反射した光が素子内部に戻ってしまい、基板１１の外部に出力されにくくなってしまう。

表１は、第１領域１０Ａの形状を計算例１，２に示したように変化させた場合の総周辺長Ｌおよび面積Ｓ，ｐ側電極２１とｎ側電極２２との最短距離Ｍ，並びに上記指標ａの簡単な計算結果をそれぞれ表したものである。なお、計算に際して、凹部１０Ｄの幅および境界領域１０Ｃの幅は無視している。また、凹部１０Ｄを設けた場合、面積Ｓも例えば１０％〜２０％減少するが、表１では簡便のため無視している。

計算例１では、図１４に示したように、第１領域１０Ａは長方形であり、長辺Ｘは約１ｍｍ、短辺は長辺の４分の１（Ｘ／４）、約２５０μｍである。第１領域１０Ａの長辺には、切込み状の凹部１０Ｄが等間隔に１５本設けられている。凹部１０Ｄの長さは短辺の約３分の１（Ｘ／１２）とされている。

計算例２は、図１５に示したように、図１４に示した長方形の第１領域１０Ａを四つ並べて配置したものであり、全体として一辺約１ｍｍの正方形をなしている。

また、参考例１〜６として、凹部１０Ｄを設けない場合についても計算例１，２と同様にして総周辺長Ｌおよび面積Ｓ，ｐ側電極２１とｎ側電極２２との最短距離Ｍ，並びに上記指標ａを併せて表１に示す。

参考例１では、図１６に示したように、第１領域１０Ａは半径Ｚの円形であり、その周囲に環状の第２領域１０Ｂが設けられている。参考例２は、図１７に示したように、第１領域１０Ａは一辺Ｚの正方形であり、その周囲に枠状の第２領域１０Ｂが設けられている。参考例３は、図１８に示したように、参考例２と同様の第１領域１０Ａの一角において、第２領域１０Ｂの幅を広くし、第１領域１０Ａの幅の３分の１（Ｚ／３）の正方形としたものである。参考例４は、図１９に示したように、参考例２と同様の第１領域１０Ａの対向する二辺の中央で、第２領域１０Ｂの幅を広くし、第１領域１０Ａの幅の３分の１（Ｚ／３）としたものである。参考例５では、図２０に示したように、第１領域１０Ａは長方形、長辺Ｚ、短辺は長辺の４分の１（Ｚ／４）であり、その周囲に枠状の第２領域１０Ｂが設けられている。参考例６は、図２１に示したように、参考例５と同様の第１領域１０Ａを四つ並べて配置したものである。

ここで、一定の面積に対する総周辺長は、形状が円の場合に最小となるので、Ｌ＝２√π（≒３．５）がＬの最小値である。表１から分かるように、凹部１０Ｄを設けた計算例１，２ではａ＞１０となるのに対して、凹部を設けない参考例１〜６ではａ≦１０である。

この半導体発光ダイオードは、第１領域１０Ａを形成する際に凹部１０Ｄを設けること、および一回のエッチングで段差部３４を形成することを除いては、上記第１の実施の形態と同様にして製造することができる。

この半導体発光ダイオードでは、上記実施の形態と同様に、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に所定の電圧が印加されると、電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。ここで、ｐ側電極２１のすべての位置でｎ側電極２２との最短距離Ｍが７０μｍ以下とされていることにより、実際に電流が横方向に流れる距離が短くなり、ｐ側電極２１の周辺部と中央部との電流注入むらが改善される。よって、動作電圧が下がり、発光効率が高くなる。

また、第１領域１０Ａの面積Ｓと総周辺長Ｌとが数２を満たし、かつ、面積Ｓが、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上とされていることにより、総周辺長Ｌを長くして光取り出し効率を高めつつ、十分に大きな面積Ｓが確保されており、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下が抑えられる。

これに対して、従来では、電流分布はｐ側電極１２１に対して一様ではなく、ｐ側電極１２１の周辺部では電流密度が高く、そこから離れるにつれて電流注入量が減っていた。このような電流注入むらは、実際に電流Ｃが横方向に流れる距離が長くなるほど顕著になり、動作電圧の上昇や発光効率低下を招いてしまっていた。

電流Ｃが横方向に流れる距離を変化させるため、従来では、ｐ型クラッド層１１３やｎ型クラッド層１１２の厚みや濃度などの設計により抵抗率を調整するようにしていた。しかし、この方法では、結晶成長工程やウェハプロセスに制約を生じていた。例えば、ｐ型クラッド層１１３の厚みを大きくした場合、成長時間が長くなるので、不純物拡散やｐｎ接合部１１４への悪影響のおそれがあり、また、エッチング深さが増大することによりウェハプロセスのパターニング技術にも制約があった。

なお、上述した製造方法により、図１１および図１２に示したような一辺０．３ｍｍの正方形の第１領域１０Ａの各辺に凹部１０Ｄを設けたλ≒５２０ｎｍの緑色発光を得られる半導体発光ダイオードを実際に作製した。また、同一ウェハ上に、凹部１０Ｄを設けないことを除いては同一の構成を有するものを、近接させて作製した。得られた半導体発光ダイオードについて、電流値を両者一定（４０ｍＡ）として、光出力を調べたところ、凹部１０Ｄを設けたものは、設けないものと同等、少なくとも周辺のウェハ内素子での輝度ばらつき分布の数％以内で、有意差がなかった。凹部１０Ｄを設けたものは、設けないものに比べて第１領域１０Ａの面積が８５％程度と小さく、電流密度が高くなっているにもかかわらず、光出力において遜色はない。このことから、単位面積当たりの発光量は、凹部１０Ｄを設けたもののほうが設けないものよりも大きいと考えられる。また、波長を調べたところ、中心波長でΔλ≦１ｎｍ程度でほぼ同等であった。

このように本実施の形態では、ｐ側電極２１のすべての位置でｎ側電極２２との最短距離Ｍを７０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下とすることにより、実際に電流が横方向に流れる距離を短くして、電流注入むらを改善し、動作電圧を下げたり発光効率を高めることができる。

また、面積Ｓと総周辺長Ｌとが数２を満たし、かつ、面積Ｓが、第１領域，第２領域および境界領域の合計面積の７０％以上とすることにより、総周辺長Ｌを長くして光取り出し効率を高めつつ、十分に大きな面積Ｓを確保し、同じ電流に対して電流密度があがってしまうことがなく、発光効率の低下を抑えることができる。

また、半導体発光ダイオードは既に広く市場に普及した汎用部品であり、できる限りコストを抑えることが望まれるが、本実施の形態では若干の工程変更を伴うのみで、コスト増を極力抑えつつ発光効率や光取り出し効率などの性能を向上させることができる。

なお、上記図１４，図１５では、第１領域１０Ａの長辺に凹部１０Ｄを入れた場合について説明したが、凹部１０Ｄを設ける位置は第１領域１０Ａの周縁部であればよく、例えば短辺に入れることも可能である。

また、フリップチップ型実装の場合には、第２領域１０Ｂは必ずしも平面的に見て連続した形状である必要はない。よって、図２２に示したように、第１領域１０Ａ内に例えば四つの円形の凹部１０Ｄを設けるようにしてもよい。なお、凹部１０Ｄの平面形状は円形に限定されないことは言うまでもなく、また、その個数も特に限定されない。

（第３の実施の形態）
図２３は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの断面構成を表し、図２４はその平面構成を概略的に表したものである。この半導体発光ダイオードは、境界領域１０Ｃを上記第１の実施の形態と同様の２段階構造としたことを除いては、第２の実施の形態の半導体発光ダイオードと同一の構成を有している。また、製造方法および作用も第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、境界領域１０Ｃを上記第１の実施の形態と同様の２段階構造としたので、第１領域１０Ａ内に凹部１０Ｄを設けることにより総周辺長Ｌを長くしても、第２段差部３３のドライエッチングによる損傷の影響を抑えることができる。よって、素子特性や信頼性を高めることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、第１段差部３１および第２段差部３３が傾斜面である場合について説明したが、第１段差部３１および第２段差部３３は必ずしも傾斜面である必要はなく、湾曲面などでもよい。

また、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、上記実施の形態では、半導体層１０の構成材料を具体的に挙げて説明したが、半導体層１０は、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）とを含む他の窒化物半導体により構成されていてもよい。

更に、ｐ側電極２１は、素子設計上の理由で高反射率の銀（Ａｇ）または銀（Ａｇ）を含む合金を用い、例えば銀（Ａｇ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｐ型クラッド層１３側から順に積層した構成としてもよい。その際、白金（Ｐｔ）層の代わりに、電極の拡散・合金化を抑制するためのバリアメタルとして、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）を用いてもよい。また、ｎ側電極２２の熱処理を行う場合には、チタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ）系を用いてもよい。

更に、例えば、上記実施の形態では、ｎ型層１２およびｐ型層１３をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、ＭＯＶＰＥ法等の他の有機金属気相成長法により形成してもよく、あるいは、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法等を用いてもよい。

加えて、例えば、上記実施の形態では、半導体発光ダイオードの構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また他の層を更に備えていてもよい。例えば、ｎ型層１２およびｐ型層１３の間に活性層を備えていてもよい。また、ｐ型層１３とｐ側電極２１との間、あるいはｎ型層１２とｎ側電極２２との間に、ｐ側電極２１またはｎ側電極２２とのコンタクト性を高めるためのコンタクト層を有していてもよい。更に、基板１１とｎ型層１２との間にバッファ層を備えていてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの構成を表す断面図である。 図１に示した半導体発光ダイオードをｐ側電極の側から見た構成を表す平面図である。 窒化物半導体を用いた半導体発光ダイオードにおける内部効率と動作電流との関係を表す図である。 図１に示した半導体発光ダイオードの製造方法を工程順に表す断面図である。 図４に示した工程に続く工程を表す断面図である。 図１に示した半導体発光ダイオードの変形例を表す平面図である。 図１に示した半導体発光ダイオードの他の変形例を表す平面図である。 図１に示した半導体発光ダイオードの更に他の変形例を表す平面図である。 図１に示した半導体発光ダイオードの更に他の変形例を表す平面図である。 図１に示した半導体発光ダイオードの更に他の変形例を表す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの構成を表す断面図である。 図１１に示した半導体発光ダイオードをｐ側電極の側から見た構成を表す平面図である。 図１１に示した半導体発光ダイオードにおける光取り出し効率の向上を説明するための図である。 第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した例を表すための平面図である。 第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した他の例を表すための平面図である。 第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。 第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。 第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。 第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。 第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。 第１領域の形状を変化させてＭおよびａの値を計算した更に他の例を表すための平面図である。 図１１に示した半導体発光ダイオードの変形例を表す平面図および断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光ダイオードの構成を表す断面図である。 図２３に示した半導体発光ダイオードをｐ側電極の側から見た構成を表す平面図である。 従来の半導体発光ダイオードの構成を表す断面図である。 従来の半導体レーザの構成を表す断面図である。 図２５に示した半導体発光ダイオードにおける電流注入分布を模式的に表す図である。

符号の説明

１０…半導体発光ダイオード、１０Ａ…第１領域、１０Ｂ…第２領域、１０Ｃ…境界領域、１０Ｄ…凹部、１１…基板、１２…ｎ型クラッド層、１３…ｐ型クラッド層、１４…ｐｎ接合部、２１…ｐ側電極、２２…ｎ側電極、３１…第１段差部、３２…平坦部、３３…第２段差部、３４…段差部

Claims (10)

1. ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、前記第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、
   前記第２導電型半導体層の一部領域を含み、前記第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、
   前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１導電型半導体層の表面から厚み方向一部にかけて形成された第１段差部、前記第１段差部に連続し、前記第１導電型半導体層内に形成された平坦部、および、前記平坦部に連続し、前記ｐｎ接合部をまたいで形成された第２段差部を有する境界領域と
   を備えたことを特徴とする半導体発光ダイオード。
2. 前記第１導電型半導体層および前記第２導電型半導体層は、３Ｂ族元素のうちアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１種と、５Ｂ族元素のうち窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光ダイオード。
3. 前記第１領域内に凹部が設けられ、前記凹部の底面は前記第２領域となっており、
   前記第１電極は前記凹部を取り囲むように形成される一方、前記凹部の底面に前記第２電極が設けられ、
   前記第１電極のすべての位置で前記第２電極との最短距離Ｍは７０μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光ダイオード。
4. 前記凹部は、前記第１領域の周囲から内部へ延びる切込みである
   ことを特徴とする請求項３記載の半導体発光ダイオード。
5. 前記第１領域内に凹部が設けられ、前記凹部の底面は前記第２領域となっており、
   前記第１領域の面積Ｓと総周辺長Ｌとは数１を満たし、
   かつ、前記面積Ｓは、前記第１領域，前記第２領域および前記境界領域の合計面積の７０％以上である
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光ダイオード。
   （数１）
   ａ＝Ｌ／√Ｓ
   ａ＞１０
   （数１においてａは前記第１領域の形状の複雑さの指標を表す。）
6. 前記凹部は、前記第１領域の周囲から内部へ延びる切込みである
   ことを特徴とする請求項５記載の半導体発光ダイオード。
7. ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、前記第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、
   前記第２導電型半導体層の一部領域を含み、前記第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、
   前記第１領域と前記第２領域との間に設けられた境界領域と
   を有し、
   前記第１領域内に凹部が設けられ、前記凹部の底面は前記第２領域となっており、
   前記第１電極は前記凹部を取り囲むように形成される一方、前記凹部の底面に前記第２電極が設けられ、
   前記第１電極のすべての位置で前記第２電極との最短距離Ｍは７０μｍ以下である
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
8. 前記凹部は、前記第１領域の周囲から内部へ延びる切込みである
   ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光ダイオード。
9. ｐｎ接合部を構成する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むと共に、前記第１導電型半導体層の表面に第１電極を有する第１領域と、
   前記第２導電型半導体層の一部領域を含み、前記第２導電型半導体層の表面に第２電極を有する第２領域と、
   前記第１領域と前記第２領域との間に設けられた境界領域と
   を有し、
   前記第１領域内に凹部が設けられ、前記凹部の底面は前記第２領域となっており、
   前記第１領域の面積Ｓと総周辺長Ｌとは数２を満たし、
   かつ、前記面積Ｓは、前記第１領域，前記第２領域および前記境界領域の合計面積の７０％以上である
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
   （数２）
   ａ＝Ｌ／√Ｓ
   ａ＞１０
   （数２においてａは前記第１領域の形状の複雑さの指標を表す。）
10. 前記凹部は、前記第１領域の周囲から内部へ延びる切込みである
    ことを特徴とする請求項９記載の半導体発光ダイオード。
    
    
    

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