JP2013201411A - 半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光取り出し効率を改善し、高発光効率で高い光出力線形性を有するとともに、劣化の少ない高信頼性の半導体発光装置を提供する。
【解決手段】第１の半導体層、発光層及び第２の半導体層が順次積層された半導体構造層を有し、第２の半導体層側から第２の半導体層及び発光層を貫通して第１の半導体層内に達する溝と、上記溝内の第１の半導体層に接触して形成された第１のオーミック電極と、第１の半導体層表面から第１の半導体層を貫通し第１のオーミック電極の一部に電気的に接続された接続電極と、第２の半導体層の第１の半導体層表面に対向する表面を覆うともに、当該対向する表面を部分的に露出する開口部を有する絶縁層と、上記開口部において第２の半導体層に接触して形成された第２のオーミック電極と、絶縁層上に形成され、かつ第２のオーミック電極に接続された金属層と、接合層を介して金属層に接合された支持体と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】第１の半導体層、発光層及び第２の半導体層が順次積層された半導体構造層を有し、第２の半導体層側から第２の半導体層及び発光層を貫通して第１の半導体層内に達する溝と、上記溝内の第１の半導体層に接触して形成された第１のオーミック電極と、第１の半導体層表面から第１の半導体層を貫通し第１のオーミック電極の一部に電気的に接続された接続電極と、第２の半導体層の第１の半導体層表面に対向する表面を覆うともに、当該対向する表面を部分的に露出する開口部を有する絶縁層と、上記開口部において第２の半導体層に接触して形成された第２のオーミック電極と、絶縁層上に形成され、かつ第２のオーミック電極に接続された金属層と、接合層を介して金属層に接合された支持体と、を有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体発光装置に関し、特に、成長基板上に成長した半導体発光層を支持基板に貼り合わせた後、成長基板を除去して形成される発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）に関する。
従来、成長基板（又は仮基板）上にＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法などの気相成長法により成長した半導体発光積層体を、反射ミラーを介して導電性の支持基板（又は永久基板）貼り合わせ、その後、成長基板を除去してした構成のＬＥＤ（メタルボンディング構造又はＭＢ構造）が開示されている（例えば、特許文献１）。光取り出し面の反対側に反射ミラーを設け、外部への取り出し光出力の向上を図るものである。
上記したＭＢ構造のＬＥＤは、導電性の成長基板上に作製されたＬＥＤに比べると、半導体層の膜厚がチップサイズに比べ薄いため、水平方向（面内方向）の電流拡散が支配的であり電流が拡散しにくい。ＬＥＤの発光効率は活性層に注入する電流密度に依存する。電流密度が高くなると活性層に注入されたキャリアがオーバフローするため、発光に寄与するキャリアが減少し発光効率が低下し、電流に対する発光出力の線形性が落ちるという課題がある。くわえて、局所的な電流集中は電界集中や発熱などにより結晶欠陥を増殖させるため信頼性に問題が生じる。
また、光取り出し面側電極と反射面側電極を上面視で重ならないように配置する、いわゆるカウンタ電極構成をとることで、水平方向の電流拡散を促進する構成が開示されている（例えば、特許文献２又は特許文献３）。
また、例えば特許文献４には、半導体層にメサを形成し、当該メサの側面での反射を利用して光取り出し効率の改善を図る半導体発光素子が開示されている。また、特許文献５には、絶縁基板を有する素子の電極構成について記載されている。
しかしながら、上記したような発光装置では、光取り出し面側に配置された電極によって発光層から放出された光が遮蔽され、出力が低下する。
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光取り出し面からの光取り出し効率を改善した半導体発光装置を提供することにある。また、面内の電流拡散を改善し、キャリアオーバフローが小さく、高発光効率で高い光出力線形性を有するとともに、劣化の少ない高信頼性の半導体発光装置を提供することにある。
本発明の発光装置は、第１の半導体層、発光層及び上記第１の半導体層とは反対の導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体構造層を有し、第１の半導体層の表面を光取り出し面とする発光装置であって、
第２の半導体層側から第２の半導体層及び発光層を貫通し、第１の半導体層内に達する溝と、
上記溝内の第１の半導体層に接触して形成された第１のオーミック電極と、
第１の半導体層表面から第１の半導体層を貫通し第１のオーミック電極の一部に電気的に接続された接続電極と、
第２の半導体層の第１の半導体層表面に対向する表面を覆うともに、当該対向する表面を部分的に露出する開口部を有する絶縁層と、
上記開口部において第２の半導体層に接触して形成された第２のオーミック電極と、
絶縁層上に形成され、かつ第２のオーミック電極に接続された金属層と、
接合層を介して金属層に接合された支持体と、を有している。
第２の半導体層側から第２の半導体層及び発光層を貫通し、第１の半導体層内に達する溝と、
上記溝内の第１の半導体層に接触して形成された第１のオーミック電極と、
第１の半導体層表面から第１の半導体層を貫通し第１のオーミック電極の一部に電気的に接続された接続電極と、
第２の半導体層の第１の半導体層表面に対向する表面を覆うともに、当該対向する表面を部分的に露出する開口部を有する絶縁層と、
上記開口部において第２の半導体層に接触して形成された第２のオーミック電極と、
絶縁層上に形成され、かつ第２のオーミック電極に接続された金属層と、
接合層を介して金属層に接合された支持体と、を有している。
以下に説明する実施例においては、説明及び理解の容易さのため、半導体構造層が第１の半導体層、発光層及び第２の半導体層からなり、第１の半導体層がｎクラッド層であり、第２の半導体層がｐクラッド層及びｐコンタクト層からなる場合について説明するが、かかる構成に限らない。すなわち、第１の半導体層及び／又は第２の半導体層、並びに発光層はそれぞれ複数の層から構成されていてもよい。例えば、当該半導体層には、キャリア注入層、キャリアオーバーフロー防止のための障壁層、電流拡散層、オーミック接触性向上のためのコンタクト層、バッファ層などが含まれていてもよい。あるいは第２の半導体層が単層で構成されていてもよい。また、第１の半導体層及び第２の半導体層の導電型はそれぞれ下記実施例とは反対導電型であってもよい。
以下においては、本発明の好適な実施例について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
図１は、本発明の実施例１である発光装置１０を模式的に示す断面図である。発光装置１０は、発光素子構造体２０と支持体３０とが接合層３５を介して接合された構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
より詳細には、発光素子構造体（以下、単に素子構造体ともいう）２０は、第１の導電型の第１の半導体層１２と、発光層１４と、第１の導電型とは反対導電型の第２の導電型の第２の半導体層１５からなる発光機能層である半導体構造層１１を有する。本実施例においては、第１の半導体層１２がｎ型半導体層であり、第２の半導体層１５がｐ型半導体層である場合を例に説明する。
また、第２の半導体層１５上にはＳｉＯ２又はＳｉＮ等からなる絶縁層１６が形成され、絶縁層１６上にはＡｇ等の光反射率の高い金属からなる金属層１７が形成されている。そして、絶縁層１６及び金属層１７の積層構造によって、発光層１４からの光を反射する反射層１９が構成されている。
なお、ここで発光機能層とは、発光機能を果たすために含まれるべき半導体で構成される層を指し、ｎ型半導体層、発光層（又は活性層）及びｐ型半導体層などの積層構造体から構成され、注入されたキャリアの再結合によって発光動作をなす半導体構造層をいう。
半導体構造層１１には、発光層１４を貫通し、第２の半導体層（ｐクラッド層１５Ａ及びコンタクト層１５Ｂ）から第１の半導体層（ｎクラッド層）１２に至る複数の溝１１Ｇが形成されている。そして、半導体構造層１１が溝１１Ｇに露出する表面は絶縁層１６及び金属層１７によって被覆されている。なお、絶縁層１６は溝１１Ｇの形成により発光層１４を貫いた部分が絶縁されるように形成されていれば良い。
また、絶縁層１６には、ｎクラッド層１２の表面に対向する面であるｐコンタクト層１５Ｂ表面を部分的に露出する開口部が設けられ、当該開口部に設けられてｐコンタクト層１５Ｂとオーミック接触が形成され、かつ金属層１７に電気的に接続されたｐ電極１８が設けられている。また、溝１１Ｇ内には、ｎクラッド層１２とオーミック接触が形成されたｎ電極２１が設けられている。また、ｎ電極２１は複数の溝１１Ｇの各々の、例えば底部に設けられている。さらに、ｎクラッド層１２の表面からｎ電極２１に達する貫通孔１２Ｇが形成され、貫通孔１２Ｇにはｎ電極２１に接続され、ｎクラッド層１２の表面からｎ電極２１に至る接続電極２３が形成されている。
また、光取り出し面であるｎクラッド層１２の表面には、凹凸加工した光取り出し構造２５が形成されている。光取り出し構造２５の凹部及び凸部の配置はランダムでも、または周期的であってもよい。また、凹部及び凸部は、錐状や柱状の突起や窪みなどで構成することができる。凹部及び凸部のサイズ（大きさ又は周期：A）は、1.0λ0/n≦A≦10.0λ0/n、高さ（B）は、0.5A≦B≦1.5Aの範囲で高い光取り出し効果が得られる。なお、λ0は真空中の波長で、ｎは発光波長に対する半導体層の屈折率である。例えば、AlGaInP系材料ではλ0＝625 nm（ナノメートル）でｎ＝3.3であり、サイズＡは200〜2000 nm程度である。
支持体３０は、図１に示すように、導電性の支持基板３１、支持基板３１の一方の主面（発光装置１０の裏面）上に形成されたオーミック電極３２と、他方の主面上に形成されたオーミック電極３３を有し、オーミック電極３３上に形成された金属層である接合層３５によって素子構造体２０と接合されている。
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、実施例１の発光装置１０の電極構成を模式的に示す平面図である。より詳細には、図２（ａ）は、発光装置１０のｐ電極１８及びｎ電極２１を結晶成長面（又は半導体構造層）に平行な平面上に投影した場合の電極構成を模式的に示している。なお、図１は、図２（ａ），（ｂ）におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
図２（ａ）に示すように、ｎクラッド層１２に対するオーミック電極であるｎ電極２１とｐコンタクト層１５Ｂに対するオーミック電極であるｐ電極１８とは、当該投影面上において、すなわち光取り出し面であるｎクラッド層１２の表面に垂直な方向から見た上面視において重ならないように配置されている。ｐ電極１８及びｎ電極２１は、いわゆるカウンタ配置の電極（カウンタ電極）を構成している。
図２（ｂ）は、接続電極２３及び光取り出し面（ｎクラッド層１２の表面）上に形成されたｎパッド電極（配線電極）２７を模式的に示している。また、図２（ｃ）は、ｐ電極１８、ｎ電極２１、接続電極２３及びｎパッド電極２７を結晶成長面に平行な平面上に投影した場合の電極構成を模式的に示している。すなわち、図２（ａ）及び図２（ｂ）を合成した図である。前述のように、オーミック電極であるｎ電極２１は接続電極２３に電気的に接続されており、接続電極２３の各々はｎパッド電極２７に接続されている。なお、ｎパッド電極２７は、ｎクラッド層１２に対してショットキー電極として形成されており、ｎパッド電極２７には、外部から給電ワイヤが接続されて給電される。
また、ｐ電極であるオーミック電極３２は、導電性の支持基板３１、オーミック電極３３、金属層である接合層３５、反射層を構成する金属層１７を介してｐ電極１８に接続されている。
すなわち、図１、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、実施例１においては、半導体構造層１１には直線状の複数の溝１１Ｇが形成され、その各々に直線状のｎ電極２１と、ｎ電極２１に平行な直線状のｐ電極１８が形成されている。そして、当該複数のｎ電極２１の各々には、その一部に接続された接続電極２３が設けられている。当該複数の接続電極２３はｎクラッド層１２上に形成されたｎパッド電極２７に接続されている。
なお、溝１１Ｇ、ｎ電極２１及びｐ電極１８が直線状に形成されている場合を例示するが、他の構成、例えば同心円状に構成されていてもよい。また、接続電極２３は、ｎクラッド層１２の内部に設けられたｎ電極２１を光取り出し面上の配線電極（パッド電極２７）に接続するための電極であるので、図２（ｂ）に示すように、ｎ電極２１の一部に接続されるように設けられていればよく、特に光取り出しに影響の無いよう、サイズも小さいことが好ましい。
従って、ｐ電極であるオーミック電極３２及びショットキー電極であるｎパッド電極２７に印加された電圧によって、ｐ電極１８及びｎ電極２１間に電流が流れ、発光層１４が発光する。なお、図１において、ｎ電極２１からｐ電極１８への電流（電子の流れ）Ｊの経路を模式的に破線の矢印で示している。このように、ｎ電極２１は溝１１Ｇ内（底部）に、ｐ電極１８は溝１１Ｇ以外の部分であるコンタクト層１５Ｂ上に設けられているため、発光装置１０の電極は、いわゆるカウンタ電極構成を有し、小さい被覆率（面積被覆率）の電極で、半導体層の面内方向における効率的な電流拡散を行うことができる。
上記したように、本実施例によれば、反射層１９側から、第２の半導体層（コンタクト層及びｐクラッド層）１５及び発光層１４を貫き、第１の半導体層（ｎクラッド層）１２に達する溝１１Ｇが発光素子構造体２０に形成されている。溝１１Ｇの底部（すなわち、第１のクラッド層に接する部分）に第１導電型のオーミック電極（ｎ電極）２１が形成され、溝１１Ｇが形成された部分以外の第２の半導体層の台地部分であるテラス１１Ｔ上に第２導電型のオーミック電極（ｐ電極）１８が形成されている。すなわち、溝１１Ｇの形成領域において発光層１４は除去されており、ｎ電極２１はｎクラッド層１２内に形成されている。換言すれば、光取り出し面側の電極であるｎ電極２１よりも反射層１９側の発光層１４及びｐクラッド層１５は除去されているため、発光層１４から放出された光は、光取り出し面側の電極であるｎ電極２１によって遮蔽されることなく、光を取り出すことができる。
［発光装置１０の製造方法］
実施例１による発光装置１０の製造方法について、AlGaInP系の発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合を例に以下に詳細に説明する。図３は、実施例１の発光装置１０の半導体構造層１１を模式的に示す断面図である。
実施例１による発光装置１０の製造方法について、AlGaInP系の発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合を例に以下に詳細に説明する。図３は、実施例１の発光装置１０の半導体構造層１１を模式的に示す断面図である。
ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて結晶成長を行った。成長基板１０Ａとしては、オフ角が１５°のｎ型ＧａＡｓ基板を用いた。より詳細には、ＧａＡｓ成長基板１０Ａの（１００）面上に、厚さが４μm（マイクロメートル）のｎクラッド層（(AlzGa1-z)0.5In0.5P層）１２、厚さが0.5μmの発光層１４、厚さが1.0μmで組成が(AlzGa1-z)0.5In0.5Pのｐクラッド層１５Ａ、層厚が1.5μmで組成がGa1-xInxP（x＝0.1）のｐコンタクト層１５Ｂをこの順で順次エピタキシャル成長した。なお、Ga1-xInxPコンタクト層１５Ｂの組成ｘは発光層１４からの放出光を吸収しないことを条件に定められる。また、ｎクラッド層１２のキャリア濃度は、２×１０18ｃｍ-3（以下、2E18 cm-3のように指数表記する場合がある。）、ｐクラッド層１５Ａのキャリア濃度は、２×１０18ｃｍ-3とした。
発光層１４は多重量子井戸(MQW: Multiple Quantum Well)、単一量子井戸(SQW: Single Quantum Well)、あるいは単層（いわゆるバルク層）でも良い。例えば、多重量子井戸構造は、井戸層を(AlzGa1-z)0.5In0.5P層（組成z＝0.10、厚さ20nm）、バリア層を(AlzGa1-z)0.5In0.5P層（組成z＝0.56、厚さ10nm）とし、１５ペアの井戸層とバリア層から構成される。なお、井戸層のAl組成zは発光波長に合わせて0≦z≦0.4の範囲で調整され、また、ｎクラッド層１２及びｐクラッド層１５ＡのAl組成ｚは0.4≦z≦1.0の範囲で調整される。
半導体構造層１１の全体の厚さを7.0μmとした。ｎクラッド層１２、発光層１４及びｐクラッド層１５Ａ、ｐコンタクト層１５ＢはＧａＡｓ基板と格子整合している。
［ｎ電極用溝の形成］
次に、フォトリソグラフィとドライエッチングによりｎ電極用の溝１１Ｇを形成する。より詳細には、ｐコンタクト層１５Ｂ、ｐクラッド層１５Ａ、発光層１４及びｎクラッド層１２をドライエッチングにより除去する。ｎクラッド層１２の加工深さは、ｎクラッド層１２の厚さ4.0μmに対し2.0μmとし、5.0μm（総エッチング量）の溝を形成した。AlGaInP系材料の場合、一般的に、電子閉じ込めのためのクラッド層がｐ側とｎ側でそれぞれ0.5μm、発光層１４には0.5μmが必要であるため、かかる層構造の場合では、1.5μm以上の深さの溝を形成することによって、第２の半導体層（ｐコンタクト層１５Ｂ、ｐクラッド層１５Ａ）及び発光層１４を貫き、第１の半導体層（ｎクラッド層）１２に達する溝１１Ｇを形成することができる。本実施例の場合、ｎ電極２１の幅が5.0μmであり、溝１１Ｇの幅は20μmとした。溝の加工幅は、狭いほど発光層１４が除去される幅が小さくなるため小さいほうが好ましい。本実施例の構成の場合、溝１１Ｇによってｎクラッド層１２に形成される溝の深さが2.0μm以上では順方向電圧の上昇はみられなかった。
次に、フォトリソグラフィとドライエッチングによりｎ電極用の溝１１Ｇを形成する。より詳細には、ｐコンタクト層１５Ｂ、ｐクラッド層１５Ａ、発光層１４及びｎクラッド層１２をドライエッチングにより除去する。ｎクラッド層１２の加工深さは、ｎクラッド層１２の厚さ4.0μmに対し2.0μmとし、5.0μm（総エッチング量）の溝を形成した。AlGaInP系材料の場合、一般的に、電子閉じ込めのためのクラッド層がｐ側とｎ側でそれぞれ0.5μm、発光層１４には0.5μmが必要であるため、かかる層構造の場合では、1.5μm以上の深さの溝を形成することによって、第２の半導体層（ｐコンタクト層１５Ｂ、ｐクラッド層１５Ａ）及び発光層１４を貫き、第１の半導体層（ｎクラッド層）１２に達する溝１１Ｇを形成することができる。本実施例の場合、ｎ電極２１の幅が5.0μmであり、溝１１Ｇの幅は20μmとした。溝の加工幅は、狭いほど発光層１４が除去される幅が小さくなるため小さいほうが好ましい。本実施例の構成の場合、溝１１Ｇによってｎクラッド層１２に形成される溝の深さが2.0μm以上では順方向電圧の上昇はみられなかった。
［ｎ電極の形成］
溝１１Ｇの電極形成位置、例えば底部にオーミック電極であるｎ電極２１を形成する。ｎ電極２１は、ｐクラッド層１５Ａ側から金属を溝１１Ｇの底部に成膜することで形成する。ｎ型半導体とオーミック接触を形成する材料としてAuGeNiを用い、素子面積（すなわち発光面積）に対する被覆率を５％とした。ｎ型半導体とオーミック接触を形成することのできる材料としてAuGeNiを用いたが、この他、AuGe、AuSn、AuSnNi等を用いてｎ電極２１を形成することも可能である。AlGaInP系半導体のｎオーミック材料としてAuGeNiは低抵抗な接触が得られる代表的な材料であるが、400℃以上の熱処理が必要であり、熱処理を行うと発光層の光を吸収する合金層が形成される。しかし、本実施例の構成であれば、ｎ電極２１が発光層の光を遮光しない位置に配置されているため、この合金層による吸収を回避することが可能となる。
溝１１Ｇの電極形成位置、例えば底部にオーミック電極であるｎ電極２１を形成する。ｎ電極２１は、ｐクラッド層１５Ａ側から金属を溝１１Ｇの底部に成膜することで形成する。ｎ型半導体とオーミック接触を形成する材料としてAuGeNiを用い、素子面積（すなわち発光面積）に対する被覆率を５％とした。ｎ型半導体とオーミック接触を形成することのできる材料としてAuGeNiを用いたが、この他、AuGe、AuSn、AuSnNi等を用いてｎ電極２１を形成することも可能である。AlGaInP系半導体のｎオーミック材料としてAuGeNiは低抵抗な接触が得られる代表的な材料であるが、400℃以上の熱処理が必要であり、熱処理を行うと発光層の光を吸収する合金層が形成される。しかし、本実施例の構成であれば、ｎ電極２１が発光層の光を遮光しない位置に配置されているため、この合金層による吸収を回避することが可能となる。
［絶縁膜の形成］
続いて、半導体構造層１１のジャンクション（接合部）の絶縁、およびｎ電極２１を絶縁するための絶縁層１６を形成する。絶縁層１６にはSiO2を用い、層厚を320nmとした。なお、絶縁層１６の材料はSiO2に限定されるものではなく、SiN、TiO2やAl2O3などでも良い。この絶縁層１６は後述する金属層とあわせて反射層として働く。そのため、SiO2層の層厚dは、真空中の発光波長λ0に対しd＝λ0/(4n)×m（nはSiO2の屈折率で、mは整数）で構成される。ここでは、λ0＝625 nm、n＝1.45、m＝3.0としd＝320 nmを用いた。
続いて、半導体構造層１１のジャンクション（接合部）の絶縁、およびｎ電極２１を絶縁するための絶縁層１６を形成する。絶縁層１６にはSiO2を用い、層厚を320nmとした。なお、絶縁層１６の材料はSiO2に限定されるものではなく、SiN、TiO2やAl2O3などでも良い。この絶縁層１６は後述する金属層とあわせて反射層として働く。そのため、SiO2層の層厚dは、真空中の発光波長λ0に対しd＝λ0/(4n)×m（nはSiO2の屈折率で、mは整数）で構成される。ここでは、λ0＝625 nm、n＝1.45、m＝3.0としd＝320 nmを用いた。
［ｐ電極の形成］
まず、絶縁層１６のSiO2をフォトリソグラフィおよびバッファードフッ酸（BHF）を用いたエッチングにより所望の形状にパターニングし、絶縁層１６に開口を空けてｐコンタクト層１５Ｂを露出させる。なお、ウェットエッチングの他ドライエッチングで行っても良い。その後、オーミック電極である反射面側のｐ電極１８を形成する。ｐ電極１８はオーミック接触を形成可能な金属であるAuZnをスパッタ法にて厚さ320nmに成膜した。その後、窒素雰囲気下、約400℃での熱処理を行った。かかる合金化処理により、溝１１Ｇの底部のｎ電極２１、およびＳｉＯ2絶縁層１６の開口部のｐ電極１８に良好なオーミック接触が形成される。オーミック接触を形成する合金化処理のタイミングは、絶縁層１６の上に反射金属層、バリア層を形成する前であることが好ましい。溝加工により露出するｐｎ接合部においてショートやリークを発生させる可能性が低くなるためである。
まず、絶縁層１６のSiO2をフォトリソグラフィおよびバッファードフッ酸（BHF）を用いたエッチングにより所望の形状にパターニングし、絶縁層１６に開口を空けてｐコンタクト層１５Ｂを露出させる。なお、ウェットエッチングの他ドライエッチングで行っても良い。その後、オーミック電極である反射面側のｐ電極１８を形成する。ｐ電極１８はオーミック接触を形成可能な金属であるAuZnをスパッタ法にて厚さ320nmに成膜した。その後、窒素雰囲気下、約400℃での熱処理を行った。かかる合金化処理により、溝１１Ｇの底部のｎ電極２１、およびＳｉＯ2絶縁層１６の開口部のｐ電極１８に良好なオーミック接触が形成される。オーミック接触を形成する合金化処理のタイミングは、絶縁層１６の上に反射金属層、バリア層を形成する前であることが好ましい。溝加工により露出するｐｎ接合部においてショートやリークを発生させる可能性が低くなるためである。
［反射金属層、バリア層の形成］
続いて、反射金属層１７として金（Au）を300nm形成した。反射金属層１７としてはAl、Agなど発光層１４の光に対し高反射率な材料を用いることができる。反射金属層１７及びSiO2絶縁層１６から反射層１９が構成される。反射層１９は、発光層１４から放射される光のうち光取り出し側と反対側に向かう光を反射し、光取り出し効率を向上させる。
続いて、反射金属層１７として金（Au）を300nm形成した。反射金属層１７としてはAl、Agなど発光層１４の光に対し高反射率な材料を用いることができる。反射金属層１７及びSiO2絶縁層１６から反射層１９が構成される。反射層１９は、発光層１４から放射される光のうち光取り出し側と反対側に向かう光を反射し、光取り出し効率を向上させる。
続いて、反射金属層１７上にバリア層（図示しない）を形成する。より具体的には、スパッタによりTaN，TiW，TaNを順次積層した。膜厚は、例えばそれぞれ100nmである。バリア層は、Ta、Ti、W等の高融点金属もしくはそれらの窒化物（TaN等）からなる単層または多層膜から形成することができ、成膜にはスパッタ法の他、電子ビーム（EB）蒸着法を用いても良い。バリア層は、AuZn中のZnが外方拡散するのを防ぐのと同時に、後工程で共晶材料が反射電極層側に侵入（拡散）することを防止するためのものである。このバリア層が機能しない場合、後工程における熱の影響により、順方向電圧（Vf）増大等の電気特性の劣化や、反射率の低下により、輝度低下も招来する。
その後、接着層をＥＢ蒸着法により形成する。ここではNi，Auを用い、膜厚はそれぞれ300nm、30nmとした。なお、抵抗加熱蒸着法、もしくはスパッタ法により蒸着してもよい。接着層は、後述する半導体層と導電性支持基板を熱圧着する工程において、後述する導電性支持体３０の共晶接合層との濡れ性を良くし、良好な接合を形成するためのものである。
［支持体との接着］
導電性基板（Ｓｉ基板）３１の一方の面にオーミック金属層３２を蒸着し、もう一方の面にオーミック金属層３３、密着層、接着層及び共晶接合層を順次蒸着し、導電性支持体３０を形成する。たとえば導電性基板３１にｐ型不純物を高濃度に添加したシリコン（Si）基板を、オーミック金属層には白金（Pt）を用いることができる。オーミック金属層（Pt）の膜厚は、例えば100〜300nmであるが、ここでは200nmとした。上記の組み合わせにおいては、オーミック金属層を蒸着しただけでオーミック特性が得られるが、後述の熱圧着等の工程で加熱されることにより導電性基板への密着性が向上する。なおオーミック金属層はPtの他、Au、Ni 、Ti等のＳｉ基板とオーミック接合を形成可能な金属を用いることも可能である。その場合、Ｓｉ基板とのオーミック接合を得るため、窒素雰囲気下での合金化工程が適宜必要となる。また、基板はＳｉ基板に限られず、導電性で熱伝導率が高い材料、例えばGe、Al、Cuなどを用いてもよい。
導電性基板（Ｓｉ基板）３１の一方の面にオーミック金属層３２を蒸着し、もう一方の面にオーミック金属層３３、密着層、接着層及び共晶接合層を順次蒸着し、導電性支持体３０を形成する。たとえば導電性基板３１にｐ型不純物を高濃度に添加したシリコン（Si）基板を、オーミック金属層には白金（Pt）を用いることができる。オーミック金属層（Pt）の膜厚は、例えば100〜300nmであるが、ここでは200nmとした。上記の組み合わせにおいては、オーミック金属層を蒸着しただけでオーミック特性が得られるが、後述の熱圧着等の工程で加熱されることにより導電性基板への密着性が向上する。なおオーミック金属層はPtの他、Au、Ni 、Ti等のＳｉ基板とオーミック接合を形成可能な金属を用いることも可能である。その場合、Ｓｉ基板とのオーミック接合を得るため、窒素雰囲気下での合金化工程が適宜必要となる。また、基板はＳｉ基板に限られず、導電性で熱伝導率が高い材料、例えばGe、Al、Cuなどを用いてもよい。
密着層、接着層は、例えばTiおよびNiとし、膜厚はそれぞれ100〜200nmおよび50〜150nmである。ここではTiの膜厚を150nm、Niの膜厚を100nmとした。濡れ性向上層は、Niの代わりにNiV、Pt等を使用しても良い。これらの層を具備する事により、導電性基板の密着信頼性を高めると共に、半導体層と熱圧着する工程において濡れ性を向上させAuSn層のボールアップを防止することができる。
また共晶接合層にはAuSnを用い、例えば膜厚は300〜3000nmである。組成はAu：Sn＝約80wt％：約20wt％(＝約70at%：約30%)であることが望ましい。ここでは、共晶接合層の膜厚を600nmとし、上記組成のAuSn構成とした。また共晶接合層は、AuSnを主成分としていればよく、例えばAuSnに添加物が加えられていても良い。なお、蒸着方法は、抵抗加熱およびEB法蒸着法、スパッタ法などから適当な手法を用いることが出来る。
素子構造体２０と導電性支持体３０を、たとえば熱圧着により接合させる。より詳細には、熱圧着、すなわち共晶材料が溶融する温度と圧力を加えることにより、導電性支持体３０と素子構造体２０の共晶接合層（AuSn層）と接着層（NiAu層）が新たな接合層（AuSnNi）３５を形成し、素子構造体２０と導電性支持体３０を接合させる。具体的には、接合は素子構造体２０側の接着層と導電性支持体３０側の共晶接合層を対向して密着させ、窒素雰囲気下、約１MPaの圧力で330℃、10分間保持することにより行った。
なお、接合材料、接合時の雰囲気、接合温度、及び接合時間は、使用する共晶材料が溶融し、その特性に変化（例えば、酸化等による接合強度の劣化）を及ぼすことがなく、素子構造体２０と導電性支持体３０とが接合されるのに十分な材料、雰囲気、温度、及び時間であればよく、上記の材料、雰囲気、温度、及び時間に限定されるものではない。
［成長基板の除去］
素子構造体２０と導電性支持体３０とを接合した後、ＧａＡｓ成長基板１０Ａを除去する。ＧａＡｓ成長基板１０Ａの除去によりｎクラッド層１２の表面が露出し、光取り出し面となる。ここでは、アンモニア・過酸化水素混合エッチャントを用いたウェットエッチングにより除去した。なお、ＧａＡｓ成長基板１０Ａの除去は、ウェットエッチングに限らず、ドライエッチング、機械研磨法、化学機械研磨（CMP）、もしくはそれらのうち少なくとも1つの方法を含む組合せにより行ってもよい。
素子構造体２０と導電性支持体３０とを接合した後、ＧａＡｓ成長基板１０Ａを除去する。ＧａＡｓ成長基板１０Ａの除去によりｎクラッド層１２の表面が露出し、光取り出し面となる。ここでは、アンモニア・過酸化水素混合エッチャントを用いたウェットエッチングにより除去した。なお、ＧａＡｓ成長基板１０Ａの除去は、ウェットエッチングに限らず、ドライエッチング、機械研磨法、化学機械研磨（CMP）、もしくはそれらのうち少なくとも1つの方法を含む組合せにより行ってもよい。
［光取り出し構造の形成］
次いで、ｎクラッド層１２上に光取り出し効率向上のための凹凸構造（フォトニック結晶）を形成する。まずフォトリソグラフィ、ＥＢリソグラフィ、ＥＢ描画、ナノインプリント、レーザ露光などの方法及びリフトオフ法によりｎクラッド層１２上に人工的周期構造のマスクパターンを形成する。次に、ドライエッチングにより、エッチングを行い、ｎクラッド層１２の表面に円錐状、または円柱状の突起又は窪みの光取り出し構造を形成する。このとき、本実施例においては、ｎクラッド層１２（層厚4.0μm）にはｐ側から2.0μｍの深さで溝加工されているため、残り2.0μm以下で光取り出し構造を形成する必要がある。
次いで、ｎクラッド層１２上に光取り出し効率向上のための凹凸構造（フォトニック結晶）を形成する。まずフォトリソグラフィ、ＥＢリソグラフィ、ＥＢ描画、ナノインプリント、レーザ露光などの方法及びリフトオフ法によりｎクラッド層１２上に人工的周期構造のマスクパターンを形成する。次に、ドライエッチングにより、エッチングを行い、ｎクラッド層１２の表面に円錐状、または円柱状の突起又は窪みの光取り出し構造を形成する。このとき、本実施例においては、ｎクラッド層１２（層厚4.0μm）にはｐ側から2.0μｍの深さで溝加工されているため、残り2.0μm以下で光取り出し構造を形成する必要がある。
具体的には、光取り出し構造は三角格子配列、周期500nm、高さ600nm、アスペクト比1.2の円錐状フォトニック結晶を形成した。ただし、フォトニック結晶の構成は、周期200nm〜2000nm、アスペクト比0.7〜1.5の範囲であれば良い。
また、フォトニック結晶の変わりにウェットエッチングなどの方法で光取り出し面の粗面化を行い光取り出し構造を形成してもよい。さらに、上記した工程において、例えばＳｉＯ2を用いて後述する光取り出し面側の電極が形成される領域に適宜保護マスクを設けても良い。
［スルーホールの形成］
続いて、表面のｎクラッド層１２から、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、光取り出し面であるｎクラッド層１２の表面（露出面）からｎ電極２１に達する貫通孔（スルーホール）１２Ｇを形成する。そして、スルーホール１２Ｇにはｎ電極２１に接続された接続電極２３が形成され、接続電極２３はボンディング用のパッド電極２７と電気的に接続される。なお、ドライエッチングによる加工の場合、半導体とｎオーミック電極金属はエッチングレートが大きく異なるため、容易にｎ電極２１の表面でエッチングを停止することができる。
続いて、表面のｎクラッド層１２から、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、光取り出し面であるｎクラッド層１２の表面（露出面）からｎ電極２１に達する貫通孔（スルーホール）１２Ｇを形成する。そして、スルーホール１２Ｇにはｎ電極２１に接続された接続電極２３が形成され、接続電極２３はボンディング用のパッド電極２７と電気的に接続される。なお、ドライエッチングによる加工の場合、半導体とｎオーミック電極金属はエッチングレートが大きく異なるため、容易にｎ電極２１の表面でエッチングを停止することができる。
次に、外部との電気的接続を行うため、およびｎ電極２１と接続電極２３を電気的に接続するためのパッド電極２７をｎクラッド層１２の表面にＡｕを1.5μmの厚さで形成する。
次に、図４に、上記実施例１に対する比較例である発光装置１１０の模式的な断面図を示す。発光装置１１０においては、支持基板１３１上に接合層１３５を介して反射層１１９及び半導体構造層１１１が設けられているが、実施例１とは異なり、発光層１１４よりも光取り出し面側の半導体層である第１の半導体層１１２に達する溝は設けられていない。従って、光取り出し構造１２５上に第１の半導体層１１２とのオーミック電極１２１が設けられている。第２の半導体層１１５は、クラッド層１１５Ａ、コンタクト層１１５Ｂからなり、第２の半導体層１１５（コンタクト層１１５Ｂ）にオーミック接触するオーミック電極１１８が設けられている。従って、第１の半導体層１１２のオーミック電極１２１の下方にオーミック電極１２１に対向する発光層１１４が存在する。また、実施例１とは異なりスルーホールを要せず、オーミック電極１２１は第１の半導体層１１２上に設けられたパッド電極に接続されている。これら以外の点は実施例１と同様である。すなわち、オーミック電極１２１の形成部以外には光取り出し構造１２５が設けられており、また、上記したいわゆるカウンタ電極構成を有し、外部との電気的接続のためのパッド電極が設けられている。また、オーミック電極１２１が第１の半導体層１１２の表面上に（第１の半導体層１１２内ではなく）設けられている点を除いて、光取り出し面である第１の半導体層１１２の表面に垂直な方向から見た上面視における電極配置、電極長・幅などの電極構成は実施例１と同様である。
図４に示すように、上記比較例の発光装置１１０においては、発光層１１４の上方、すなわち光取り出し面側に発光層１１４に対向するオーミック電極１２１が設けられているため、発光層１１４から放出された光（図中矢印、LE）の一部は、オーミック電極１２１により遮光される。遮光された光の一部は電極により吸収される。また、一部は電極裏面で反射されるが（図中矢印、RL）、再度光取り出し面まで到達するまで再度反射が必要でありその反射損失、また、再度光取り出し面まで到達するまでの光路長が増加することによる半導体層での吸収が生じる。そのため、電極で遮光された光は損失が大きく、半導体構造層１１１からの光取り出し効率が大きく減少する。
一方、図１に示すように、実施例１の発光装置（ＬＥＤ）１０においては、発光層１４よりも光取り出し面側には発光層１４に対向する位置に電極が存在しないため、発光層１４からの放出光は遮光が防止され、電極による損失がなく発光装置（ＬＥＤ）の光出力が向上する。特に、ＬＥＤの高出力化のため、電極幅を拡大する場合には、本発明は特に有効である。
より具体的には、カウンタ電極を構成した場合、一般的に、従来の素子面積（発光面積）に対する電極の被覆率は５〜１５％であり、その分遮光され光出力が低下していた。本発明によれば、電極の遮光による光出力の損失を回避できるため、光取り出し効率を向上することができる。また、キャリアオーバフローが小さく、高発光効率で高い光出力線形性を有するとともに、劣化の少ない高信頼性の半導体発光装置を提供できる。
特に、AlGaAsやAlGaInP系材料を用いたＬＥＤの場合、オーミック電極を形成するためにオーミック電極の金属と半導体層で合金層を形成する必要がある。合金層を形成するとオーミック電極の反射率は大幅に低下するため、本発明の構成がさらに有利となる。加えて、本発明の構成は発光層よりも光取り出し面側に発光層に対向する電極が存在しない。そのため、表面に光取り出し構造を形成した場合、その形成面積を拡大することができ、さらに光取り出し効率を改善し、光出力を増加させることができる。
図１及び図４に、それぞれ実施例１及び上記比較例における電流（電子の流れ）Ｊの経路を模式的に破線の矢印で示している。実施例１の構成においては、発光層を貫く溝を形成しているものの、第１の半導体層のオーミック電極と第２の半導体層のオーミック電極はカウンタ配置構成としているため、溝を適切な範囲で構成すれば、比較例の場合と同等以上の電流拡散を維持しつつ、ＬＥＤの光出力を改善することができる。
より詳細には、光取り出し面上にオーミック電極を構成した比較例の場合に比べ、実効的な光取り出し面側の半導体層（第１の半導体層１２）の膜厚が減少し、順方向電圧の上昇を招くことが懸念される。しかしながら、第１の半導体層に形成される溝の深さを増大させることによって順方向電圧の上昇を防止することは十分可能である。あるいは、第１の半導体層の層厚、キャリア濃度等を適切に設計することによって順方向電圧の上昇、電流拡散の低下等を防止することができる。具体的には、第１の半導体層の溝深さを0.5 μm以上とするのが好ましく、1.0μm以上とするのがより好ましい。なお、光取り出し構造を形成する場合、光取り出し構造を加工するための厚みは残しておく必要がある。また、溝の幅は狭いほうが発光層を加工する領域が小さくなるため有利であるが、第１の半導体層のオーミック電極を配置、配線できる程度、例えば1.0μm以上、好ましくは、3μm以上で形成するのがよい。
なお、実施例１による発光装置１０では、溝１１Ｇ内は空洞として形成されているが、溝１１Ｇ内に金属などが充填された構成であってもよい。例えば、反射金属層１７上にもAuSnからなる接着層を形成して、支持体と接着することにより、溝１１Ｇ内を充填することができる。
図５は、本発明の実施例２である発光装置（ＬＥＤ）１０の断面の一部を模式的に示す部分断面図である。本実施例は、第１の半導体層は、アンドープ層１２Ａ及びｎクラッド層１２Ｂから構成されている点において実施例１のＬＥＤ１０と異なっている。
より詳細には、成長基板上に層厚が0.5μmのアンドープ層１２Ａ、及び層厚が3.5μmでキャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3の高濃度のｎクラッド層１２Ｂを成長し、さらに実施例１の場合と同様に、厚さが0.5μmの発光層１４、厚さが1.0μmで組成が(AlzGa1-z)0.5In0.5Pのｐクラッド層１５Ａ、層厚が1.5μmで組成がGa1-xInxP（x＝0.1）のｐコンタクト層１５Ｂを順次エピタキシャル成長して半導体構造層１１が形成されている。続いて、成長基板の除去によりアンドープ層１２Ａが露出し、光取り出し面となる。そして、アンドープ層１２Ａの露出面に光取り出し効率向上のための凹凸構造２５（フォトニック結晶）が形成されている。また、凹凸構造２５はｎクラッド層１２Ｂには至らない深さで形成されている。
本実施例２においては、第１の半導体層１２（層厚4.0μｍ）には2.0μmの深さで溝１１Ｇが形成されている。より具体的には、ｎクラッド層１２Ｂの加工深さは、ｎクラッド層１２Ｂの厚さ3.5μmに対し2.0μmとした。そして、実施例１の場合と同様、溝１１Ｇの底部に、ｎクラッド層１２Ｂに対するオーミック電極であるｎ電極２１を形成している。
実施例２によれば、第１の半導体層１２が光取り出し側からアンドープ層１２Ａ及びｎクラッド層１２Ｂから構成され、ｎクラッド層１２Ｂにオーミック電極であるｎ電極２１が形成されている。なお、意図的なドーピングを行わないアンドープ層１２Ａに限らず、ｎクラッド層１２Ｂよりも低キャリア濃度のｎ層を用いても良い。換言すれば、発光層よりも光取り出し面側にある半導体層（第１の半導体層）を積層構造（実施例２の場合、２層構造）とし、光取り出し面側の最表面半導体層のキャリア濃度をもう一方の半導体層のキャリア濃度よりも下げる構成を採用している。
すなわち、上記した比較例の構造では、光取り出し面上にオーミック電極を形成しているため、低抵抗なオーミック接触を得るには、光取り出し面側の半導体層の最表面は、高濃度にドーピングされた層が必要であった（例えば、キャリア濃度 1×1018ｃｍ-3以上）。しかし、オーミックコンタクトを取るための高濃度層は、フリーキャリアによる光吸収が大きく、ＬＥＤの光出力低下を招来する要因となっていた。特に、表面に光取り出し構造を形成した場合、光取り出し構造に入射した光は、光取り出し構造で散乱、回折、反射されるため、光取り出し構造自体に吸収があると、光が取り出されるまでの損失が大きくなる。
下記の表１は、実施例１及び実施例２のＬＥＤと、上記した比較例のＬＥＤの輝度及び順方向電圧（Ｖｆ）を比較して示している。なお、比較例のＬＥＤの輝度及び順方向電圧を１．０として規格化した場合の値を示している。
表１に示すように、光出力は、ｎクラッド層を高キャリア濃度の単層で構成した場合（実施例１）では１０％以上の改善、ｎクラッド層を高キャリア濃度層及びアンドープ層で構成した場合（実施例２）では１８％の改善が確認された。これは、本発明の構成により、ｎオーミック電極による遮光の損失を解消したこと（実施例１，２）に加え、光取り出し構造領域を吸収の小さい層で構成した（実施例２）効果によるものである。
また、順方向電圧は比較例のＬＥＤにくらべ３％以下の上昇であり、ほぼ同等の電流拡散が得られたと解される。特に、ｎクラッド層にアンドープ層を加えた積層構造にした場合であっても順方向電圧の上昇を招くことなく、光出力をさらに向上させることができることがわかった。
以上説明したように、実施例２の場合では、反射面側から溝を形成し、発光層よりも光取り出し面側の半導体層に対するオーミック電極を形成するため、最表面（光取り出し面）側に高キャリア濃度の半導体層を形成する必要がない。特に、最表面の半導体層（低キャリア濃度半導体層）はキャリア濃度５×１０17ｃｍ-3以下が好ましく、インテンショナルなドーピングを行わない半導体層（又はアンドープ半導体層）がより好ましい。かかる構成によりフリーキャリアによる吸収を抑え、ＬＥＤの出力向上を図ることができる。
本発明の実施例３であるＧａＮ系の発光ダイオード（ＬＥＤ）１０について図１、３を参照し、以下に説明する。図３を参照すると、実施例３の半導体構造層は、サファイア基板１０Ａの(0001)面上に、厚さ5.0μmのｎ型ＧａＮクラッド層（第１の半導体層）１２、厚さ75nmの発光層１４、厚さ40nmのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.2Ｎ層１５Ａ及び厚さ100nmのｐ型ＧａＮクラッド層１５Ｂからなる第２の半導体層１５をＭＯＣＶＤ法により順次エピタキシャル成長させる。発光層１４は多重量子井戸（MQW）、単一量子井戸（SQW）、あるいは単層でもよい。
多重量子井戸構造としては、ＩｎxＧａ1-xＮの組成をｘ＝0.35とした厚さ2nmの井戸層、厚さ14nmのＧａＮバリア層とし、５ペアの井戸層とバリア層で構成した。なお、井戸層のＩｎ組成ｘは発光波長に合わせて0≦ｘ≦1.0の範囲で調整される。
次に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより溝１１Ｇの加工を行う。溝１１Ｇの加工はドライエッチングにより第２の半導体層１５（ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.2Ｎ層、ｐ型ＧａＮクラッド層）、発光層１４を貫通（除去）し、ｎクラッド層１２の一部を除去して、ｎクラッド層１２内に至る溝を形成する。ｎクラッド層１２の加工深さは、nクラッド層１２の層厚5.0μmに対し2.0μmとし、総エッチング量は2.2μmの溝１１Ｇを形成した。一般に、ＧａＮ系材料の場合、ｐクラッド層、および、発光層の層厚が300nm以下であるため、溝深さはAlGaIn（AlGaAs）系材料と比べ薄いため、溝の形成が容易となる。
溝１１Ｇの幅は、ｎ電極２１の幅15μmに対し20μmとした。溝１１Ｇの加工幅は、狭いほど発光層１４の加工量が小さくなるため小さいほうが好ましい。（AlGaInPと比べ、GaNは大電力タイプなので電極幅を３倍、溝加工深さは半分であるため溝幅のマージンを小さくした。）
溝１１Ｇの形成部の底部にｎオーミック電極２１を形成する。ｎオーミック電極２１は、ｐクラッド層側から金属を成膜することで形成する。ここでは、ｎ型半導体とオーミック接合を形成することのできる材料としてTi層／Al層／Au層（層厚：1nm／200nm／1000nm）を用いた。
続いて、半導体層のジャンクションの絶縁、および、ｎオーミック電極２１を絶縁するための絶縁層１６を形成する。絶縁層１６はSiO2とし厚さは310nmとした。絶縁層１６はSiO2に限定されるものではなく、SiN、TiO2やAl2O3などでもよい。
このSiO2層は後の金属層１７とあわせて反射層として働く。そのため、SiO2層の膜厚ｄは、真空中の発光波長λ0に対しd＝λ0/(4n)×m（nはSiO2の屈折率でmは整数）で構成される。ここでは、λ0＝450 nm、n＝1.45、m＝4.0としd＝310 nmを用いた。
まず、絶縁層１６のSiO2をフォトリソグラフィおよびバッファードフッ酸（BHF）を用いたエッチングにより所望の形状の開口を形成する。その後、ｐオーミック電極１８である反射面側電極を形成する。ｐオーミック電極１８は、ｐ型GaN層上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）層、続いてAg層を形成する。ITO層、Ag層は発光層１４から出射される光のうち光取り出し側と反対側に向かう光を反射し、光取り出し効率を向上させるための反射層を構成する。ITO層（層厚：10nm）、Ag層（層厚：310nm）は、たとえばスパッタ、EB等を用いて成膜した。
続いて、反射金属層１７としてAgを300nm形成した。反射金属層１７としてはAl、Rhなど活性層の光に対し高反射率な材料であればよい。反射金属層１７及びSiO2絶縁層１６から反射層１９が構成される。反射層１９は、活性層１４から出射される光のうち光取り出し側と反対側に向かう光を反射し、光取り出し効率を向上させる。続いて、反射金属層１７上にバリア層（図示しない）を形成する。Agの拡散防止のバリア層としてTi層200nm／Pt層100nmを形成した。
その後、支持体３０との接合、成長基板１０Ａの除去、光取り出し構造２５の形成、スルーホール及び接続電極２３の形成、パッド電極２７の形成を行う点は、実施例１の場合と同様である。なお、サファイア成長基板１０Ａの除去はレーザーリフトオフ法により行った。
かかる構成のＧａＮ系発光ダイオード（ＬＥＤ）においても、実施例１の場合と同様に、第１の半導体層によって発光層からの光が遮光されることがないため、光出力を向上させることができる。なお、電流拡散の低下や順方向電圧の上昇を招くことがないのも実施例１の場合と同様である。また、実施例２と同様に、第１の半導体層を高キャリア濃度層及び低濃度キャリア層（又はアンドープ層）の積層構造で構成し、光取り出し面側の半導体層の低キャリア濃度とすることでフリーキャリアによる吸収を抑え、ＬＥＤのさらなる出力向上を図ることができる。
なお、一般に、サファイア基板上に成長したＧａＮ系ＬＥＤは、基板と成長結晶との格子定数差に起因する結晶欠陥を低減するため、発光層を形成する前のＧａＮ層を、例えば3.0μｍ以上、好ましくは5.0μｍの層厚で成長することで結晶性を改善することが行われる。
ＭＢ構造を有するＬＥＤの場合、サファイア基板を除去した表面からｎ側電極を取る必要がある。従って、半導体層の構成は、ｎドープ（例えば、Siドープ）を行ったｎ型ＧａＮ層を、例えば3.0μｍ以上、好ましくは5.0μｍの層厚で成長することが必要である。しかし、ドーピングしたｎ型ＧａＮはアンドープのＧａＮに比べ結晶性が低下することに加え、表面の凹凸が大きくなり、発光効率等の素子特性の低下を招く。従って、本発明によれば、結晶性の良好なアンドープＧａＮ上にドーピング（例えば、Siドーピング）したｎ型ＧａＮ層を形成することができるため、第１の半導体層の全体にドーピングした場合に比べて結晶性が改善されるとともに、フリーキャリアによる吸収が無くなるため、ＬＥＤの発光効率等の素子特性の向上を図ることができる。また、アンドープＧａＮ層とすることがより好ましいが、アンドープＧａＮ層に代えて、低キャリア濃度のＧａＮ層とすることによっても、結晶性の改善効果があるため素子特性の向上を図ることができる。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光取り出し効率を改善し、高発光効率で高い光出力線形性を有するとともに、劣化の少ない高信頼性の半導体発光装置を提供することができる。
図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は図２（ａ），（ｂ），（ｃ）と同様な図であり、実施例４の発光装置（ＬＥＤ）１０の電極構成を模式的に示す平面図である。より詳細には、図６（ａ）は、ＬＥＤ１０のｐ電極１８及びｎ電極２１を結晶成長面（又は半導体構造層）に平行な平面上に投影した場合の電極構成を模式的に示している。
図６（ａ）に示すように、実施例４の発光装置（ＬＥＤ）１０においては、半導体構造層１１に形成される溝１１Ｇは半導体構造層１１の面内においてハニカム形状を有している。なお、半導体構造層１１の構成及び製造方法は、上記した実施例１と同じである。また、上記した実施例１〜３と同様に、溝１１Ｇは、第２の半導体層１５から発光層（活性層）１４を貫通し、第１の半導体層に達している。
より詳細には、溝１１Ｇは、半導体構造層１１に平行な平面において正六角形形状を有する溝によって半導体構造層１１が区画されたハニカム構造の溝として形成されている。換言すれば、当該正六角形形状の溝によって区画される正六角形形状の各発光部（以下、セルともいう。）１１Ｃによって充填された構造を有している。すなわち、当該ハニカム構造の閉ループをなす溝によって半導体構造層１１が複数の発光部（セル）１１Ｃに分離されている。
かかる溝１１Ｇの構成以外は実施例１〜３と同様に構成することができる。図７は、図６（ａ）のＬＥＤ１０の線Ｘ−Ｘに沿った部分を拡大して示す断面図である。具体的には、半導体構造層１１は、第１の導電型の第１の半導体層１２と、発光層（活性層）１４と、第１の導電型とは反対導電型の第２の導電型の第２の半導体層１５からなる。なお、第１の半導体層１２がｎクラッド層であり、第２の半導体層１５がｐクラッド層である場合について説明する。しかし、第２の半導体層１５は、実施例１の場合と同様に、例えばｐクラッド層１５Ａ及びコンタクト層１５Ｂから構成されていてもよい。また、第１の半導体層１２は、実施例２の場合と同様に、例えばアンドープ層１２Ａ及びｎクラッド層１２Ｂから構成されていてもよい。
図７に示すように、溝１１Ｇは、発光層１４を貫通し、第２の半導体層１５から第１の半導体層１２に至るように形成されている。そして、半導体構造層１１が溝１１Ｇに露出する表面（半導体構造層１１の端面）は絶縁層１６及び金属層１７によって被覆されている。そして、上記実施例と同様に、絶縁層１６及び金属層１７によって反射層１９が形成されている。
さらに、図７及び図６（ａ）に示すように、ＬＥＤ１０にはｐ電極１８及びｎ電極２１が設けられている。ｐ電極１８は、第２の半導体層１５とオーミック接触が形成され、かつ金属層１７に電気的に接続されている。また、ｎ電極２１は、溝１１Ｇの底部に設けられ、第１の半導体層１２とオーミック接触が形成されている。また、第１の半導体層１２の表面からｎ電極２１に達する貫通孔が設けられ、当該貫通孔には第１の半導体層１２の表面からｎ電極２１に至り、ｎ電極２１に接続された接続電極２３が形成されている。接続電極２３は、例えば、ＬＥＤ１０の中央部における正六角形形状の溝１１Ｇの頂点に対応する位置に設けられている（図６（ｂ），（ｃ））。そして、接続電極２３の各々を接続するｎパッド電極２７が第１の半導体層１２上にショットキー電極として形成されている。
実施例４においては、発光装置１０の外周の長さよりも、溝１１Ｇによって形成される半導体構造層１１の端面（又は発光層１４が露出する側面）の長さを長くすることにより、内部伝搬する光の外部への取り出し効率を高めている。すなわち、半導体構造層１１（発光層）の面内における溝１１Ｇの形成領域長を拡大することにより、半導体層内部を伝搬する光が半導体層端面の反射によって伝搬方向が変えられ、発光装置１０の光取り出し効率を高めることができる。特に、半導体構造層１１を構成する層のうち発光層１４はｎ型及びｐ型半導体層（クラッド層）に比べ屈折率が高く、内部伝搬する光が多い。そのため、発光層１４の端面を増やすことが光取り出し効率を高める上で重要な要因である。
本実施例における溝１１Ｇの構成では、発光層１４の面内における溝１１Ｇの形成領域長（すなわち、発光層１４を切断する溝１１Ｇの長さ）が増加すると発光層１４の面積が減少する。そのため、溝１１Ｇの構造を最密充填となるハニカム構造とすることで発光層１４の面積の減少を抑えつつ、溝１１Ｇの形成領域長、すなわち半導体層の側面の長さを大きくすることが可能である。また、当該ハニカム構造における発光部分（発光セル）１１Ｃが正六角形形状の溝によって互いに分離された閉ループ構成を採用することにより、内部伝搬する光をより効率的に外部に取り出すことができる。
下記の表２は、実施例１及び実施例４のＬＥＤと、前述の比較例のＬＥＤの外周長L1、内部の半導体層（発光層）端面長L2、及び光出力の関係を比較して示している。なお、実施例１、４及び比較例のＬＥＤは一辺が350μmの正方形状を有しており（外周長は1400μm）、比較例のＬＥＤの光出力を１．０に規格化して示している。
表２に示すように、実施例４のＬＥＤにおいては、外周長L1に対する発光層端面の長さ（すなわち、外周長L1＋内周長L2）は、比較例のＬＥＤに比べて3.21倍となっており、光出力は比較例の1.20倍であり、光取り出し効率が向上していることが分かる。また、実施例１の場合（光出力が1.12倍）に比較しても、光取り出し効率が向上していることが分かる。
なお、溝１１Ｇがハニカム形状を有する場合について説明したが、これに限らない。要は、溝１１Ｇが発光層を区画して、互いに分離された複数の発光部を画定するように形成されていれば、発光層の端面長を増大することができる。従って、端面での反射により光の伝搬方向を光取り出し面方向に変化させることができ、光取り出し効率を高めることができる。溝１１Ｇの形状としては、例えば、正三角形、正方形等の平面充填構造を適用することができる。また、上記ハニカム構造における発光部分（セル）１１Ｃが正六角形形状の溝によって互いに分離された閉ループ構成をなしている（但し、ＬＥＤ１０の周辺部を除く）場合について説明したが、これに限らない。溝１１Ｇが半導体構造層１１内において、部分的に閉ループ構成をなしていればよい。
実施例５においては、溝１１Ｇによって形成される半導体構造層１１の端面（又は溝１１Ｇの側面）がなす角度α（図７）が光取り出し効率を高めるように調整されている。この点について、図面を参照して説明する。図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、実施例５のＬＥＤ１０の溝１１Ｇの部分を拡大して示す模式的な断面図である。なお、主に半導体構造層１１の端面部（溝１１Ｇの側面）の構成を示し、半導体構造層１１の詳細構成、絶縁層１６、金属層１７及び反射層１９等は、説明及び理解の容易さのため省略している。また、光線経路の説明及び理解の容易さのため、光取り出し面である第１の半導体層（ｎクラッド）層１２の表面には光取り出し構造が形成されておらず、第１の半導体層１２の表面が平坦な光取り出し面として構成されている場合について説明する。すなわち、第１の半導体層１２の表面は結晶成長面に平行（すなわち、発光層１４に平行）な平坦面である場合について説明する。
また、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）において、半導体構造層１１上には、屈折率がｎAMBの外部媒体４１が示されている。例えば、外部媒体４１が設けられていない（すなわち、半導体構造層１１の表面が空気に露出している）場合には、屈折率ｎAMB＝ｎAIR（約1.0）である。以下においては、外部媒体４１として屈折率がｎAMB（＝1.5）の樹脂が設けられている場合を例に説明する。
図８（ａ）に示すように、半導体構造層１１の発光層から出射され、光取り出し面である第１の半導体層１２の表面（すなわち、半導体構造層１１と外部媒体４１との界面ＩＦ）に入射した光のうち、臨界角β以上の光成分R1は反射され取り出されない。また、界面ＩＦで反射された光は、半導体構造層１１の端面１１Ｆで反射される。半導体構造層１１の端面１１Ｆが半導体構造層１１（すなわち第１の半導体層１２の表面）となす角（以下、傾斜角という。）αが大きい場合には、内部伝搬される光が光取り出し面側でなく反射層側へ反射される量が増えるため好ましくない。そこで、半導体構造層１１内の等方的な放射光源RSを仮定し、当該放射光の立体角を考慮した光線追跡法によるシミュレーションを行い、以下の結果を得た。なお、溝１１Ｇは、その開口面積が半導体構造層１１の内部方向（すなわち、第２の半導体層１５から第１の半導体層１２に至る方向）に小なる順テーパー形状に形成され、傾斜角αは０＜α＜９０°と定義する。換言すれば、溝１１Ｇによって形成される半導体構造層１１の端面（すなわち、溝１１Ｇの側面）は、発光層１４の端面からの出射光が反射層１９によって光取り出し面側に反射される向きに傾斜している。
上記シミュレーションの結果、図８（ｂ）に示すように、光取り出し面（界面ＩＦ）で反射され、半導体構造層１１の端面１１Ｆに入射する光の８０％以上が光取り出し面（界面ＩＦ）側に反射される条件は、端面１１Ｆの傾斜角αが４０°以下であった。すなわち、端面１１Ｆの傾斜角αが４０°以下の場合（α≦４０°）、半導体構造層１１の半導体組成にかかわらず、界面ＩＦで反射され端面１１Ｆに入射した光は、そのうち８０％以上が光取り出し面（界面ＩＦ）側に反射される。なお、傾斜角αが60°以上になると、端面１１Ｆに入射した光成分の半分が光取り出し面側ではなく反射面側に反射される。
また、図８（ｃ）に示すように、端面１１Ｆの傾斜角αが臨界角β以下の場合（α≦β）、界面ＩＦで反射され端面１１Ｆに入射した光全てが光取り出し面（界面ＩＦ）側に反射されることが分かった。なお、例えば外部媒体４１の屈折率をｎAMB＝1.5とすると、GaN系半導体の屈折率はｎ(GaN)＝2.5で臨界角βは37°、AlGaInP系半導体の場合はｎ(AlGaInP)＝3.3で臨界角βは27°である。
上記したように、半導体構造層１１の端面１１Ｆの傾斜角αを調整することによって、光取り出し面から反射された光を有効に取り出すことができ、光取り出し効率に優れた発光装置を得ることができる。また、本実施例は上記実施例のいずれにも適用することが可能である。
なお、光取り出し面である第１の半導体層１２の表面に光取り出し構造が形成されておらず平坦な場合について説明したが、光取り出し構造が形成されていてもよい。かかる場合であっても、光取り出し構造で反射され半導体構造層１１の端面１１Ｆに入射する光及び半導体構造層内から端面１１Ｆに入射する光は端面１１Ｆによって、高い確率で光取り出し面側に反射されるので有効である。
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光取り出し効率を改善し、高発光効率で高い光出力線形性を有するとともに、劣化の少ない高信頼性の半導体発光装置を提供することができる。
なお、上記した実施例は適宜組み合わせ、又は改変して適用することができる。また、上記した材料、数値等は例示に過ぎない。
１１ 半導体構造層
１１Ｇ 溝
１２ 第１の半導体層
１２Ａ 低キャリア濃度層
１２Ｂ 高キャリア濃度層
１２Ｇ 貫通孔
１４ 発光層
１５ 第２の半導体層
１６ 絶縁層
１７ 金属層
１８ 第２のオーミック電極
２１ 第１のオーミック電極
２３ 接続電極
２５ 光取り出し構造
２７ 配線電極
３０ 支持体
１１Ｇ 溝
１２ 第１の半導体層
１２Ａ 低キャリア濃度層
１２Ｂ 高キャリア濃度層
１２Ｇ 貫通孔
１４ 発光層
１５ 第２の半導体層
１６ 絶縁層
１７ 金属層
１８ 第２のオーミック電極
２１ 第１のオーミック電極
２３ 接続電極
２５ 光取り出し構造
２７ 配線電極
３０ 支持体
Claims (13)
- 第１の半導体層、発光層及び前記第１の半導体層とは反対の導電型の第２の半導体層が順次積層された半導体構造層を有し、前記第１の半導体層の表面を光取り出し面とする発光装置であって、
前記第２の半導体層側から前記第２の半導体層及び前記発光層を貫通し、前記第１の半導体層内に達する溝と、
前記溝内の前記第１の半導体層に接触して形成された第１のオーミック電極と、
前記第１の半導体層表面から前記第１の半導体層を貫通し前記第１のオーミック電極の一部に電気的に接続された接続電極と、
前記第２の半導体層の前記第１の半導体層表面に対向する表面を覆うともに、前記対向する表面を部分的に露出する開口部を有する絶縁層と、
前記開口部において前記第２の半導体層に接触して形成された第２のオーミック電極と、
前記絶縁層上に形成され、かつ前記第２のオーミック電極に接続された金属層と、
接合層を介して前記金属層に接合された支持体と、
を有することを特徴とする発光装置。 - 互いに分離された複数の前記溝が形成され、かつ前記第１のオーミック電極及び前記接続電極は当該複数の溝の各々に形成されて複数の第１のオーミック電極及び複数の接続電極が設けられ、前記第１の半導体層の表面上に前記複数の接続電極に接続された配線電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
- 前記金属層は前記絶縁層上に形成された光反射金属層を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
- 前記第１のオーミック電極は前記溝の底部に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光装置。
- 前記第１の半導体層は、前記発光層上に形成された相対的に高いキャリア濃度を有する高キャリア濃度半導体層及び前記高キャリア濃度半導体層よりも低いキャリア濃度を有する低キャリア濃度半導体層からなり、前記第１のオーミック電極は前記高キャリア濃度半導体層に接触して形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発光装置。
- 前記低キャリア濃度半導体層の表面に光取り出し凹凸構造が形成され、前記光取り出し凹凸構造は、前記高キャリア濃度半導体層には至らない深さで形成されていることを特徴とする請求項５に記載の発光装置。
- 前記低キャリア濃度半導体層はアンドープ層であることを特徴とする請求項５又は６に記載の発光装置。
- 前記低キャリア濃度半導体層は、５×１０17ｃｍ-3以下のキャリア濃度を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の発光装置。
- 前記半導体構造層は、ＧａＮ系発光ダイオード構造層であることを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１に記載の発光装置。
- 前記溝は、前記発光層を区画して、互いに分離された複数の発光部を画定するように形成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の発光装置。
- 前記溝は、前記半導体構造層面内においてハニカム形状を有する溝として形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の発光装置。
- 前記溝はその開口面積が前記半導体構造層内に向い小となる順テーパー形状に形成され、前記溝によって形成される前記半導体構造層の端面の前記半導体構造層に対する傾斜角α（０＜α＜９０°）は、４０°以下であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の発光装置。
- 前記傾斜角は、前記第１の半導体層と前記第１の半導体層の接する外部媒体との界面における臨界角以下の角度であることを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
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