JP5048960B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、赤色よりも短波長側に発光ピーク波長を有する半導体発光素子に関するものである。

従来から、酸化物系化合物半導体発光素子や窒化物系化合物半導体発光素子などの半導体発光素子において、発光層から略等方的に放射される光のうち光取り出し面以外の方向に向かう光の一部が電極に吸収されて光取り出し効率が低下するという問題があった。

そこで、この種の問題を解決するために、光取り出し面側とは反対側に位置する電極を反射率の高い金属材料により形成することで光取り出し効率を向上させた半導体発光素子が提案されている（例えば、特許文献１，２）。

ここにおいて、この種の半導体発光素子としては、例えば、図５に示す構成のものが提案されている。図５に示した構成の半導体発光素子は、発光層（活性層）３などの材料としてＧａＮ系化合物半導体材料を採用した青色発光ダイオードであって、サファイア基板からなるベース基板１の一表面側にバッファ層１０を介して形成されたｎ形半導体層２と、ｎ形半導体層２上に形成された上述の発光層３と、発光層３上に形成されたｐ形半導体層４と、ｐ形半導体層４の表面側に形成されたアノード電極５と、ｎ形半導体層２におけるベース基板１側とは反対の表面側に形成されたカソード電極６とを備え、カソード電極６を、ｎ形半導体層２に対してオーミック接触が可能な金属材料（例えば、Ｔｉなど）からなるオーミックコンタクト層６１と、オーミックコンタクト層６１に積層されたＡｕなどの金属材料からなる外部接続用金属層６２とで構成し、アノード電極５を発光層３から放射される光に対する反射率の高い金属材料（例えば、Ａｇ、銀白色系金属材料、Ａｌなど）からなり反射層を兼ねる反射用金属層５８と、反射用金属層５８に積層されたＡｕなどの金属材料からなる外部接続用金属層５９で構成してある。ここで、上記特許文献１には、反射用金属層５８の材料としてＡｇを採用した場合、反射用金属層５８の膜厚を２０ｎｍよりも大きな値に設定することが記載されている。

図５に示した構成の半導体発光素子では、アノード電極５とカソード電極６との間に順方向バイアス電圧を印加することによってアノード電極５からカソード電極６に向かって電流が流れ、発光層３に注入された電子とホールとが再結合することで発光する。ここで、図５に示した構成の半導体発光素子は、実装基板にフリップチップ実装しベース基板１の他表面を光取り出し面として用いられるものであり、発光層３からｎ形半導体層２側へ放射された光がベース基板１を通して光取り出し面から出射されるとともに、ｐ形半導体層４側へ放射された光が反射用金属層５８で反射されて光取り出し面から出射されることとなる（図５中の矢印Ｃは発光層３から放射され反射用金属層５８で反射された光の伝搬経路の一例を示している）ので、光取り出し効率を高めることができる。

上述の図５に示した構成の半導体発光素子は、ベース基板１として絶縁性を有する結晶成長用基板であるサファイア基板を用いており、ベース基板１の上記一表面側にアノード電極５およびカソード電極６が配置されているが、ベース基板１として導電性を有する結晶成長用基板（例えば、導電性を有する単結晶基板、導電性を有する化合物半導体基板など）を用いて当該結晶成長用基板の他表面側にカソード電極を設けたり、結晶成長後にサファイア基板を除去しカソード電極を兼ねる金属基板を貼り付けたりすることで、ｎ型半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４とからなる発光部の厚み方向の両側に電極を設けた構成とし、両電極のうちの一方の電極を透光性材料により形成するとともに他方の電極を発光層３からの光を反射する金属材料により形成した半導体発光素子も提案されており、この種の半導体発光素子は、少なくとも一方の電極がボンディングワイヤを介してパッケージの導体パターンと電気的に接続される。
特開平１１−１８６５９８号公報 特開平１１−１９１６４１号公報

ところで、図５に示した構成の半導体発光素子では、反射用金属層５８の金属材料としてＡｇ、銀白色系金属材料、Ａｌなどを採用することで発光層３にて発生した光の一部が反射用金属層５８にて反射され光取り出し面から出射されることとなるので、光取り出し効率を高めることができるが、上記金属材料の反射率は９５％以下であり、発光層３からアノード電極５に向かって伝搬する光のうち少なくとも５％はアノード電極５で吸収されて光吸収損失となってしまう。

また、上述のようにｎ型半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４とからなる発光部の厚み方向の両側に電極を設けた構成とし、両電極のうちの一方の電極を透光性材料により形成するとともに他方の電極を発光層３からの光を反射する金属材料により形成した半導体発光素子においても上記金属材料により形成した電極において同様の光損失が発生してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れる半導体発光素子を提供することにある。

請求項１の発明は、ｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有し、前記ｐ形半導体層における前記発光層側とは反対側にアノード電極が形成されるとともに、前記ｎ形半導体層における前記発光層の積層側にカソード電極が形成され、前記発光層の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に、複数種類の誘電体膜が周期的に積層されたものであって前記発光層から放射された光を反射する多層反射膜層と、前記多層反射膜層における前記光取り出し面側とは反対側の面を覆うように形成され前記発光層から放射された光を反射する金属反射膜とを備え、前記多層反射膜層と前記金属反射膜とで反射部を構成してなり、前記多層反射膜層は、前記アノード電極と前記カソード電極との２つの電極のうち前記発光層の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に位置する一方の前記電極に設けられ、前記発光層に平行な平面上で独立した島状に形成されて複数設けられてなり、前記多層反射膜層が設けられる前記電極において、前記発光層に平行な平面上で独立した島状に形成された複数の前記多層反射膜層の間に、前記金属反射膜が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、発光層の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に、複数種類の誘電体膜が周期的に積層されたものであって前記発光層から放射された光を反射する多層反射膜層を備えているので、前記発光層から所望の光取り出し面側とは反対側へ放射された光を、従来の金属材料からなる反射用金属層に比べて効率良く反射することができ、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れ、発光効率を高めることが可能となる。また、この発明によれば、前記多層反射膜層は、アノード電極とカソード電極との２つの電極のうち前記発光層の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に位置する一方の前記電極に設けられ、前記発光層に平行な平面上で独立した島状に形成されて複数設けられてなるので、前記多層反射膜層に起因した一方の前記電極の導電性の低下を抑制することができて、前記多層反射膜層に起因した動作電圧の上昇を抑制することができる。すなわち、この発明によれば、動作電圧の上昇を抑制しつつ光取り出し効率の向上を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記多層反射膜層は、屈折率が異なる２種類の前記誘電体膜が交互に積層されたものであり、各誘電体膜は、それぞれ酸化膜もしくは窒化膜からなることを特徴とする。なお、ここにおいて、屈折率の異なる２種類の前記誘電体膜は、酸化膜と窒化膜との組み合わせでもよいし、材料の異なる２種類の酸化膜の組み合わせでもよいし、材料の異なる２種類の窒化膜の組み合わせでもよい。

この発明によれば、２種類の前記誘電体膜それぞれの膜厚を適宜設定することにより、光の干渉効果により反射光を強めることができるとともに反射率を高めることができて、所望の光取り出し面からの光取り出し効率を高めることができ、しかも、前記各誘電体膜を、イオンビーム蒸着法や抵抗加熱蒸着法などの一般的な薄膜形成技術によって容易に形成することが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記多層反射膜層は、複数種類の前記誘電体膜が前記発光層に近い側から離れるにつれて屈折率が大きくなる順に積層されてなることを特徴とする。

この発明によれば、複数種類の前記誘電体膜は発光層に近い誘電体膜ほど屈折率が小さいので、前記多層反射膜層における反射率を高めることができ、光取り出し効率の向上を図れる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記多層反射膜層は、前記発光層の発光ピーク波長±３０ｎｍの波長域の光に対して反射率が９５％よりも高くなるように形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記発光層にて発生する光の発光スペクトルの波長域の光を前記多層反射膜層において効率良く反射することができ（つまり、発光ピーク波長の光だけでなく発光ピーク波長付近の光も効率良く反射することができ）、光取り出し効率の向上を図れる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記多層反射膜層は、前記アノード電極と前記カソード電極との２つの電極のうち前記発光層の前記厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に位置する一方の電極に設けられ、前記発光層に平行な平面上で独立した島状に形成されて複数設けられてなることを特徴とする。

本願の別の発明は、ｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有し、ｐ形半導体層における発光層側とは反対側にアノード電極が形成されるとともに、ｎ形半導体層における発光層の積層側にカソード電極が形成され、発光層の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に、複数種類の誘電体膜が周期的に積層されたものであって発光層から放射された光を反射する多層反射膜層を備え、前記多層反射膜層は、前記アノード電極と前記カソード電極との２つの電極のうち前記発光層の前記厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に位置する一方の電極に設けられ、前記発光層に平行な複数の平面上それぞれにおいて独立した島状に形成されて前記各平面上に複数設けられてなり、前記一方の電極は、前記各平面ごとに前記多層反射膜層の位置をずらしてあることを特徴とする。

この発明によれば、前記多層反射膜層を設ける一方の電極の導電性の低下を抑制しつつ、前記発光層の投影領域内における前記多層反射膜層の占有面積を大きくすることができ、前記一方の電極に入射した光をより効率良く反射することができる。

請求項１の発明では、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態の半導体発光素子について図１および図２を参照しながら説明する。

本実施形態の半導体発光素子は、赤色よりも短波長の可視光を放射する可視光発光ダイオードであって、図１に示すように、サファイア基板からなるベース基板１の一表面側（図１（ｂ）における上面側）に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｎ形半導体層２が形成され、ｎ形半導体層２上に３族窒化物半導体層からなる発光層３が形成され、発光層３上に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｐ形半導体層４が形成されている。要するに、本実施形態の半導体発光素子は、ベース基板１の上記一表面側にｎ形半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４との積層構造を有している。なお、ｎ形半導体層２、発光層３、およびｐ形半導体層４は、ベース基板１の上記一表面側にＭＯＶＰＥ法のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜するので、ｎ形半導体層２の貫通転位を低減するとともにｎ形半導体層２の残留歪みを低減するために、ベース基板１とｎ形半導体層２との間にバッファ層を設けることが望ましいのは勿論である。また、図１に示した例では、ベース基板１の上記一表面側の最表面側が露出しているが、最表面側にＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜などの保護膜を形成してもよい。

また、本実施形態の半導体発光素子は、ｐ形半導体層４における発光層３側とは反対側にアノード電極５が形成されるとともに、ｎ形半導体層２における発光層３の積層側にカソード電極６が形成されている。さらに説明すれば、アノード電極５は、ｐ形半導体層４上に形成され、カソード電極６は、ベース基板１の上記一表面側へｎ形半導体層２、発光層３、ｐ形半導体層４を順次成長させた後で、ｎ形半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４との積層膜の所定領域をｐ形半導体層４の表面側からｎ形半導体層２の途中までエッチングすることにより露出させたｎ形半導体層２の表面に形成されている。

ここにおいて、本実施形態の半導体発光素子は、ベース基板１の平面視形状が矩形状であって、図１（ａ）に示すように、カソード電極６およびアノード電極５の平面視形状が櫛形状の形状に形成されており、平面視においてカソード電極６とアノード電極５とが互いに入り組んでいる。

発光層３の結晶材料としては、例えば、ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＮ，ＡｌＧａＮなどを採用すればよく、３族元素の組成比を適宜設定したり、あるいは、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓ，Ｓｅなどのｎ形不純物やＺｎ，Ｍｇなどのｐ形不純物を適宜ドーピングすることによって、発光色を赤色よりも短波長の可視光域内の所望の色に設定することが可能である。ここにおいて、本実施形態の半導体発光素子では、アノード電極５とカソード電極６との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、アノード電極５からカソード電極６に向かって電流が流れ、発光層３に注入された電子とホールとが再結合することで発光する。

ｎ形半導体層２に電気的に接続されるカソード電極６は、ｎ形半導体層２に対してオーミック接触が可能な金属材料からなるオーミックコンタクト膜６１と、オーミックコンタクト膜６１に積層された金属材料からなる外部接続用金属膜６２とで構成されている。ここにおいて、オーミックコンタクト膜６１の金属材料としては、例えば、Ｔｉ，Ｖ，Ａｌやこれらのいずれか一種類の金属を含む合金などを採用すればよく、外部接続用金属膜６２の金属材料としては、化学的に安定でボンディングが容易なＡｕなどを採用すればよい。

ところで、本実施形態の半導体発光素子は、発光層３にて発光する光に対して透明な材料（本実施形態では、サファイア）により形成されたベース基板１の他表面（図１（ｂ）の下面）を所望の光取り出し面とするものであり、アノード電極５は、ｐ形半導体層４上に形成された第１の透明導電膜５１と、第１の透明導電膜５１上に形成された第２の透明導電膜５２と、第２の透明導電膜５２上に形成され発光層３から放射された光を反射する複数の多層反射膜層５３と、第２の透明導電膜５２において多層反射膜層５３により覆われていない部位および多層反射膜層５３を覆うように形成され発光層３からの光に対して高い反射率を有する金属材料からなる金属反射膜５４と、金属反射膜５４上に形成されたバリアメタル膜５５と、バリアメタル膜５５上に形成された金属材料からなる外部接続用金属膜５６とで構成されている。要するに、本実施形態の半導体発光素子は、発光層３の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に、発光層３から放射された光を反射する多層反射膜層５３を備えており、発光層３から所望の光取り出し面側とは反対側に放射されてアノード電極５に入射した光は多層反射膜層５３もしくは金属反射膜５４により光取り出し面側へ反射されることとなる（なお、図１（ｂ）中の矢印Ｃは発光層３から放射され多層反射膜層５３で反射された光の伝搬経路の一例を示している）。なお、本実施形態の半導体発光素子では、複数の多層反射膜層５３と金属反射膜５４とで発光層３からの光を所望の光取り出し面側へ反射する反射部を構成している。

上述の第１の透明導電膜５１は、膜厚を２〜１０ｎｍの範囲に設定してあるので、当該第１の透明導電膜５１の材料としては、例えば、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｆｅの単体、あるいは、これらのいずれか一種を含む合金などを採用することができる。また、第２の透明導電膜５２の材料としては、発光層３からの光に対して透明な材料を採用すればよく、例えば、ＩＴＯ，ＩＺＯ，ＺｎＯ，Ｉｎ_２Ｏ_３，ＳｎＯ_２，Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（ｘ≦０．５），アモルファスＡｌＧａＮ，ＧａＮ，ＳｉＯＮの群から選択される１つの材料を採用すればよい。また、金属反射膜５４の材料としては、Ａｇを採用しているが、Ａｇに限らず、Ａｌ，Ｒｈなどを採用してもよい。また、外部接続用金属膜５６の金属材料としては、化学的に安定でボンディングが容易なＡｕなどを採用しており、バリアメタル膜５５の材料としては、Ｔｉを採用している。

上述の各多層反射膜層５３は、平面形状が円形状に形成され、第２の透明導電膜５２上で分散して配置されている（２次元アレイ状に配列されている）。さらに説明すれば、単位格子が正方形の仮想的な２次元正方格子の各格子点に対応する各部位に多層反射膜層５３が配置されている。要するに、本実施形態におけるアノード電極５は、多層反射膜層５３が発光層３に平行な平面上で独立した島状に形成されて複数設けられている。

ここにおいて、多層反射膜層５３は、図２に示すように、絶縁性を有し屈折率の異なる２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂが周期的に積層されている。各誘電体膜５３ａ，５３ｂは、それぞれ酸化膜もしくは窒化膜により構成すればよく、酸化膜や窒化膜により構成することにより、各誘電体膜５３ａ，５３ｂを、イオンビーム蒸着法や抵抗加熱蒸着法などの一般的な薄膜形成技術によって容易に形成することが可能となる。この種の酸化膜の材料としては、例えば、ＳｉＯ_２，ＺｒＯ_２，ＴｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３などを採用し、この種の窒化膜の材料としては、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４，ＡｌＮなどを採用すればよい。

上述の多層反射膜層５３は、発光層３の発光波長λ（ｎｍ）に応じて各誘電体膜５３ａ，５３ｂの膜厚、屈折率、および層数を適宜設定することにより、反射率（％）とストップバンド幅（ｎｍ）とを調整することができる。ここで、各誘電体膜５３ａ，５３ｂそれぞれの単層膜の膜厚について、単層膜の膜厚をＤ（ｎｍ）、単層膜の屈折率をｎとすれば、膜厚Ｄは、
（Ｄ×ｎ）／（２ｍ−１）＝λ／４ （ただし、ｍ＝１，２，・・・）
の関係式から求められる。この関係式は、屈折率ｎの媒質Ｘ１の入射面へ入射した光のうち媒質Ｘ１中へ屈折し上記入射面に平行な面であって媒質Ｘ１と当該媒質Ｘ１に接する媒質Ｘ２との界面で反射された後に媒質Ｘ１から出た光と、媒質Ｘ１の上記入射面へ入射した光のうち上記入射面で反射された光との位相が一致し、同位相の光どうしの干渉により反射光の強度が強くなることを意味している。ただし、ここでは、上記媒質Ｘ１を上述の２つの単層膜を１ペア（誘電体膜５３ａと誘電体膜５３ｂとを１ペア）として考えているので、単層膜だけに着目すると、上記関係式のように光の位相が反転するように設計することになる。

例えば、発光層３の発光ピーク波長が４７０ｎｍの場合、上述の関係式において、ｍ＝１として、一方の誘電体膜５３ａの材料をＳｉＯ_２とすると、上記一方の誘電体膜５３ａの膜厚は、ＳｉＯ_２の屈折率を１．４３として略８２ｎｍに設計すればよく、他方の誘電体膜５３ｂの材料をＺｒＯ_２とすると、上記他方の誘電体膜５３ｂの膜厚は、ＺｒＯ_２の屈折率を１．８９として略６２ｎｍとなる。ここで、多層反射膜層５３の設計にあたって、ＳｉＯ_２からなる誘電体膜５３ａとＺｒＯ_２からなる誘電体膜５３ｂとの積層膜を１ペアとして、当該積層膜のペア数と反射率との関係をシミュレーションしたところ、ペア数を少なくとも８とすることにより、波長λが４７０ｎｍの光に対して９５％よりも高い反射率となることが確認され、ペア数を８としたときの反射率の波長依存性をシミュレーションしたところ、発光層３の発光ピーク波長を基準として±３０ｎｍの波長域において反射率が９５％よりも高くなることが確認された（ストップバンド幅が６０ｎｍとなることが確認された）。なお、上述のシミュレーション結果は多層反射膜層５３に発光層３からの光が垂直入射した場合の値であるが、半導体発光素子の光取り出し面と空気もしくは封止材との界面の凹凸や、屈折率差によって生じるエスケープコーンの影響などにより、多層反射膜層５３に垂直に入射する光強度に比べて、入射面とのなす角度が９０度からある角度傾いた方向から多層反射膜層５３に入射する光強度のほうが強くなるという状況が起こり得る。このような場合には、誘電体膜５３ａ，５３ｂそれぞれの膜厚を、光強度が最大になる入射角に応じて設計すればよいことは勿論である。要するに、上記媒質Ｘ１の入射面で反射される光と、上記媒質Ｘ１に入射してから上記媒質Ｘ１と上記媒質Ｘ２との界面で反射された後に上記媒質Ｘ１から出た光との光路差の計算を、多層反射膜層５３に入射する光強度が最大になる入射角にて行えばよい。

以上説明した本実施形態の半導体発光素子では、発光層３の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に、２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂが周期的に積層されたものであって発光層３から放射された光を反射する複数の多層反射膜層５３と金属反射膜５４とで反射部を構成しているので、発光層３から所望の光取り出し面側とは反対側へ放射された光を、従来の金属材料からなる反射用金属層５８（図５参照）に比べて効率良く反射することができ、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れ、発光効率を高めることが可能となる。また、本実施形態の半導体発光素子は、上述のように多層反射膜層５３が、屈折率が異なる２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂが交互に積層されたものであるから、２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂそれぞれの膜厚を適宜設定することにより、光の干渉効果により反射光を強めることができるとともに反射率を高めることができ、所望の光取り出し面からの光取り出し効率を高めることができる。ここで、各多層反射膜層５３が発光層３の発光ピーク波長を基準として±３０ｎｍの波長域において９５％よりも高い反射率を有するように各多層反射膜層５３を設計すれば、多層反射膜層５３において、発光スペクトルの半値全幅が４０ｎｍ程度の発光層３にて発生する光の発光スペクトルの波長域の光を多層反射膜層５３において効率良く反射することができ（つまり、発光ピーク波長の光だけでなく発光ピーク波長付近の光も効率良く反射することができ）、光取り出し効率の向上を図れる。

また、本実施形態の半導体発光素子では、多層反射膜層５３が、アノード電極５とカソード電極６との２つの電極のうち発光層３の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に位置する一方の電極であるアノード電極５に設けられ、発光層３に平行な平面上で独立した島状に形成されて複数設けられているので、多層反射膜層５３に起因したアノード電極５の導電性の低下を抑制することができて、多層反射膜層５３に起因した動作電圧の上昇を抑制することができるから、動作電圧の上昇を抑制しつつ光取り出し効率の向上を図れる。

ところで、上述の実施形態では、多層反射膜層５３を２種類の誘電体膜５３ａ，５３ｂを周期的に積層した構成を有しているが、２種類に限らず、複数種類（例えば、３種類）の誘電体膜を周期的に積層した構成としてもよい。いずれにしても、多層反射膜層５３を、複数種類の誘電体膜が発光層３に近い側から離れるにつれて屈折率が大きくなる順に積層された構造とすることにより、多層反射膜層５３と多層反射膜層５３の下地層である第２の透明導電膜５２との界面での光の散乱を防止でき、多層反射膜層５３における反射率を高めることができ、光取り出し効率の向上を図れる。

（実施形態２）
本実施形態の半導体発光素子は、実施形態１と同様に、赤色よりも短波長の可視光を放射する可視光発光ダイオードであって、図３に示すように、ｎ形ＳｉＣ基板からなるベース基板１の一表面側（図３（ｂ）における上面側）に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｎ形半導体層２が形成され、ｎ形半導体層２上に３族窒化物半導体層からなる発光層３が形成され、発光層３上に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｐ形半導体層４が形成されている。要するに、本実施形態の半導体発光素子も、実施形態１と同様に、ベース基板１の上記一表面側にｎ形半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４との積層構造を有している。ここで、ｎ形半導体層２、発光層３、およびｐ形半導体層４は、ベース基板１の上記一表面側にＭＯＶＰＥ法のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜するので、ｎ形半導体層２の貫通転位を低減するとともにｎ形半導体層２の残留歪みを低減するために、ベース基板１とｎ形半導体層２との間にバッファ層を設けることが望ましいのは勿論である。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

ところで、実施形態１では、ベース基板１として絶縁性を有するサファイア基板を用いていたのに対して、本実施形態では導電性を有するｎ形ＳｉＣ基板を用いており、ｐ形半導体層４における発光層３側とは反対側にアノード電極５が形成されるとともに、ｎ形半導体層２における発光層３側とは反対側にカソード電極６が形成されている。ただし、カソード電極６は、ベース基板１の他表面（図３（ｂ）における下面）に形成されている。したがって、実施形態１のようにｐ形半導体層４の一部をエッチングした構造を採用する必要はない。

また、本実施形態では、カソード電極６とアノード電極５との２つの電極のうちアノード電極５側を光取り出し面側としており、発光層３に対して所望の光取り出し面側とは反対側に位置するカソード電極６に後述の複数の多層反射膜層６４および複数の多層反射膜層６６を設けてある。

本実施形態におけるアノード電極５は、ｐ形半導体層４上に形成された透明導電膜１５１と、透明導電膜１５１上で島状に形成された３つの金属膜１５４と、各金属膜１５４上に形成された３つのバリアメタル膜５５と、各バリアメタル膜５５上に形成された３つの外部接続用金属膜５６とで構成されている。要するに、アノード電極５は、ワイヤボンディングが可能な外部接続用金属膜５６が３つ設けられ、透明導電膜１５１と各外部接続用金属膜５６との間に金属膜１５４とバリアメタル膜５５との積層膜が介在しており、透明導電膜１５１の露出表面が所望の光取り出し面となっている。ここにおいて、本実施形態では、透明導電膜１５１がＭｇをドープしたＺｎＯ薄膜により構成されており、透明導電膜１５１の膜厚は例えば２〜１０ｎｍの範囲で設定すればよい。また、本実施形態では、金属膜１５４の材料としてＮｉを採用し当該金属膜１５４の膜厚を５０ｎｍに設定し、バリアメタル膜５５の材料としてＴｉを採用し当該バリアメタル膜５５の膜厚を５０ｎｍに設定し、外部接続用金属膜５６の材料としてＡｕを採用し当該外部接続用金属膜５６の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの材料や膜厚は特に限定するものではない。
カソード電極６は、ベース基板１の上記他表面側に積層された第１の透明導電膜６３と、第１の透明導電膜６３におけるベース基板１側とは反対側に形成された複数の島状の多層反射膜層６４と、第１の透明導電膜６３におけるベース基板１側とは反対側で第１の透明導電膜６３のうち多層反射膜層６４が積層されていない部位および各多層反射膜層６４を覆う形で形成された第２の透明導電膜６５と、第２の透明導電膜６５におけるベース基板１側とは反対側に形成された複数の島状の多層反射膜層６６と、第２の透明導電膜６５におけるベース基板１側とは反対側で第２の透明導電膜６５のうち多層反射膜層６６が積層されていない部位および各多層反射膜層６６を覆う形で形成されたバリアメタル膜６７と、バリアメタル膜６７に積層された外部接続用金属膜６２とで構成されている。ここにおいて、本実施形態では、第１の透明導電膜６３および第２の透明導電膜６５がＩＴＯ薄膜により構成されており、透明導電膜６３，６５の膜厚は例えば２〜１０ｎｍの範囲で設定すればよい。また、本実施形態では、バリアメタル膜６７の材料としてＴｉを採用し当該バリアメタル膜６７の膜厚を５０ｎｍに設定し、外部接続用金属膜６２の材料としてＡｕを採用し当該外部接続用金属膜６２の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの材料や膜厚は特に限定するものではない。また、各多層反射膜層６４，６６は、実施形態１の多層反射膜層５３と同様に屈折率の異なる複数種類の誘電体膜を交互に積層した構成とすればよい。

ところで、上述の説明から分かるように、複数の多層反射膜層６４と複数の多層反射膜層６６とは発光層３に平行な２つの平面上それぞれにおいて独立した島状に形成されており、一方の平面上の多層反射膜層６４と他方の平面上の多層反射膜層６６との位置をずらし、複数の多層反射膜層６４と複数の多層反射膜層６６とでベース基板１の他表面の投影領域の略全域を覆うように各多層反射膜層６４，６６の平面形状を矩形状としてある。したがって、多層反射膜層６４，６６を設ける一方の電極であるカソード電極６の導電性の低下を抑制しつつ、発光層３の投影領域内における多層反射膜層６４，６６の占有面積を大きくすることができ、カソード電極６に入射した光をより効率良く反射することができる。

以上説明した本実施形態の半導体発光素子では、発光層３の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に、複数種類の誘電体膜が周期的に積層されたものであって発光層３から放射された光を反射する複数の多層反射膜層６４および複数の多層反射膜層６６が形成されているので、発光層３から所望の光取り出し面側とは反対側へ放射された光を、従来の金属材料からなる反射用金属層に比べて効率良く反射することができ、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れ、発光効率を高めることが可能となる。なお、図３（ｂ）中の矢印Ｃは発光層３から放射され多層反射膜層６６で反射された光の伝搬経路の一例を示している。

ところで、上述の実施形態におけるカソード電極６は、発光層３に平行な２つの平面上それぞれに複数の多層反射膜層６４，６６を設けてあるが、発光層３に平行な３つ以上の平面上それぞれに複数の多層反射膜層を設けて、各平面ごとに多層反射膜層の位置をずらすようにしてもよい。

（実施形態３）
本実施形態の半導体発光素子は、実施形態１と同様に、赤色よりも短波長の可視光を放射する可視光発光ダイオードであって、図４に示すように、サファイア基板からなるベース基板１の一表面側（図４（ｂ）における上面側）に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｎ形半導体層２が形成され、ｎ形半導体層２上に３族窒化物半導体層からなる発光層３が形成され、発光層３上に窒化ガリウム系化合物半導体層からなるｐ形半導体層４が形成されている。要するに、本実施形態の半導体発光素子も、実施形態１と同様に、ベース基板１の上記一表面側にｎ形半導体層２と発光層３とｐ形半導体層４との積層構造を有している。ここで、ｎ形半導体層２、発光層３、およびｐ形半導体層４は、ベース基板１の上記一表面側にＭＯＶＰＥ法のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜するので、ｎ形半導体層２の貫通転位を低減するとともにｎ形半導体層２の残留歪みを低減するために、ベース基板１とｎ形半導体層２との間にバッファ層を設けることが望ましいのは勿論である。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の半導体発光素子は、実施形態１と同様に、ｐ形半導体層４における発光層３側とは反対側にアノード電極５が形成されるとともに、ｎ形半導体層２における発光層３の積層側にカソード電極６が形成されているが、実施形態１では、ベース基板１の他表面を光取り出し面としてアノード電極５に多層反射膜層５３を設けていたのに対して、本実施形態では、アノード電極５の一部の表面を所望の光取り出し面としている点などが相違する。要するに、実施形態１の半導体発光素子ではパッケージに実装する場合に、フェースダウンで実装する（フリップチップ実装する）のに対して、本実施形態の半導体発光素子ではパッケージに実装する場合、フェースアップで実装してアノード電極５およびカソード電極６それぞれをボンディングワイヤを介してパッケージの各配線パターンと電気的に接続する。

本実施形態においても実施形態１と同様に、アノード電極５およびカソード電極６の平面視形状が櫛形状の形状に形成され、平面視においてカソード電極６とアノード電極５とが互いに入り組んでいるが、本実施形態におけるアノード電極５は各透明導電膜５１，５２のみが櫛形状に形成され、バリアメタル膜５５と外部接続用金属膜５６との積層膜は第２の透明導電膜５２上で島状に形成され、櫛形状の第２の透明導電膜５２の櫛骨部に相当する部位上で２箇所に設けられている。したがって、本実施形態の半導体発光素子では、アノード電極５における第２の透明導電膜５２の露出表面を所望の光取り出し面とすることができる。また、本実施形態におけるカソード電極６は、平面視形状が櫛形状の透明導電膜６８と、櫛形状の透明導電膜６８の櫛骨部に相当する部位の表面側で島状に形成された複数（図示例では、３つ）の外部接続用金属膜６２と、各外部接続用金属膜６２と透明導電膜６８との間それぞれに介在したバリアメタル膜１６１とで構成されている。要するに、バリアメタル膜１６１と外部接続用金属膜６２との積層膜は透明導電膜６８上で島状に形成され、櫛形状の透明導電膜６８の櫛骨部に相当する部位上で３箇所に設けられている。ここにおいて、透明導電膜６８の材料としては、ＩＴＯ，ＺｎＯ，Ｉｎ_２Ｏ_３，ＳｎＯ_２のいずれかを採用すればよい。また、バリアメタル膜１６１の材料としては、例えば、Ｔｉを採用すればよい。

また、本実施形態の半導体発光素子は、ベース基板１の他表面の全面に、発光層３から放射された光を反射する多層反射膜層７が形成されている（なお、図４（ｂ）中の矢印Ｃは発光層３から放射され多層反射膜層７で反射された光の伝搬経路の一例を示している）。要するに、本実施形態の半導体発光素子は、発光層３の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側においてベース基板１の他表面の全面に発光層３から放射された光を反射する多層反射膜層７が形成されている。ここにおいて、多層反射膜層７は、実施形態１の多層反射膜層５３と同様に屈折率の異なる複数種類の誘電体膜を交互に積層した構造を有している。

しかして、本実施形態の半導体発光素子では、発光層３の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に、複数種類の誘電体膜が周期的に積層されたものであって発光層３から放射された光を反射する多層反射膜層７が形成されているので、発光層３から所望の光取り出し面側とは反対側へ放射された光を、従来の金属材料からなる反射用金属層に比べて効率良く反射することができ、所望の光取り出し面からの光取り出し効率の向上を図れ、発光効率を高めることが可能になる。なお、本実施形態の半導体発光素子では、発光層３から所望の光取り出し面側に放射され多層反射膜層７にてカソード電極６に向かって反射された光の一部は、カソード電極６の透明導電膜６８を通して外部へ出射される。

実施形態１の半導体発光素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。 同上の半導体発光素子の多層反射膜層の説明図である。 実施形態２の半導体発光素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。 実施形態３の半導体発光素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）の概略断面図である。 従来例を示す半導体発光素子の概略断面図である。

符号の説明

１ ベース基板
２ ｎ形半導体層
３ 発光層
４ ｐ形半導体層
５ アノード電極
６ カソード電極
５１ 第１の透明導電膜
５２ 第２の透明導電膜
５３ 多層反射膜層
５４ 金属反射膜
５５ バリアメタル膜
５６ 外部接続用金属膜

Claims (4)

1. ｎ形半導体層と発光層とｐ形半導体層との積層構造を有し、前記ｐ形半導体層における前記発光層側とは反対側にアノード電極が形成されるとともに、前記ｎ形半導体層における前記発光層の積層側にカソード電極が形成され、前記発光層の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に、複数種類の誘電体膜が周期的に積層されたものであって前記発光層から放射された光を反射する多層反射膜層と、前記多層反射膜層における前記光取り出し面側とは反対側の面を覆うように形成され前記発光層から放射された光を反射する金属反射膜とを備え、前記多層反射膜層と前記金属反射膜とで反射部を構成してなり、前記多層反射膜層は、前記アノード電極と前記カソード電極との２つの電極のうち前記発光層の厚み方向において所望の光取り出し面側とは反対側に位置する一方の前記電極に設けられ、前記発光層に平行な平面上で独立した島状に形成されて複数設けられてなり、前記多層反射膜層が設けられる前記電極において、前記発光層に平行な平面上で独立した島状に形成された複数の前記多層反射膜層の間に、前記金属反射膜が形成されてなることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記多層反射膜層は、屈折率が異なる２種類の前記誘電体膜が交互に積層されたものであり、各誘電体膜は、それぞれ酸化膜もしくは窒化膜からなることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記多層反射膜層は、複数種類の前記誘電体膜が前記発光層に近い側から離れるにつれて屈折率が大きくなる順に積層されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
4. 前記多層反射膜層は、前記発光層の発光ピーク波長±３０ｎｍの波長域の光に対して反射率が９５％よりも高くなるように形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子。

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