JP2002076435A

JP2002076435A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2002076435A
Application number: JP2000268274A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Tadatomo; 一行只友; Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Takahide Shiroichi; 隆秀城市; Yoichiro Ouchi; 洋一郎大内; Takashi Tsunekawa; 高志常川
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】光取出し効率を高め、外部量子効率を格段に
向上させた半導体発光素子を提供すること。【解決手段】基板１上に第一導電型の半導体層２１、
第二導電型の半導体層２２、発光層２０からなる発光領
域２を設ける。この発光領域２は、第一導電型の半導体
層２１の途中までの深さで、前記発光領域２が素子の上
面からみて円形になるようにエッチング加工されてい
る。円形にエッチング加工されることで、その端面は外
側に凸状の曲面となり、当該端面では発光光の反射が少
なくなるため、光の取り出し効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、化合物半導体発光
素子に関し、特に光の取り出し効率を向上させた半導体
発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系化合物半導体を用いた青色発光
ダイオード（ＬＥＤ）や紫外ＬＥＤ、青〜紫色半導体レ
ーザ（ＬＤ）が開発され、これら発光素子と蛍光体を組
み合わせた白色固体発光素子は、電球や蛍光灯等の真空
管式照明光源を代替する新光源として期待されている。
しかし、現在でもこれらの発光素子を照明用途に使うに
は更に素子の高出力化を達成する必要があり、そのため
の研究が種々なされている。

【０００３】ところで、上記したＧａＮ系化合物半導体
は厚膜成長が基本的に難しいという特質がある。従っ
て、一般的なＧａＮ系化合物半導体発光素子において
は、ワイヤーボンディング用のパッド電極から発光層ま
での距離が極めて短いものとならざるを得ず、他の材料
系の半導体発光素子で行われているような電流拡散層を
使っての発光の均一化（発光層全面で均一に発光が起こ
るという意味での均一化）手段は通常採用することが出
来ない。このため、オーミック電極を光が透過する程度
の薄膜とする所謂透明電極とし、該透明電極を素子の
（ｐ型層の）ほぼ全表面に形成し発光層全面に電流が行
き渡るようにすることで均一な発光を得る等の工夫がな
されている。

【０００４】上記の透明電極の採用により、発光層全面
が有効に活用され素子内部における発光量はいきおい増
加することになる。また、併せて転位欠陥等を抑制する
ことで、注入されるキャリアを高い割合でフォトンに変
換させることが可能となり、その結果として内部量子効
率を大幅に向上させることはできる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光の取
り出し効率の観点から当該素子構造をみた場合、様々な
不都合が存在する。先ず、透明電極による光の吸収の問
題が挙げられる。即ち、透明電極の光の透過率は５０％
程度しか無く、また透明電極はほぼ全表面に形成されて
いることから、素子の鉛直（表面）方向から放出される
べき光の取り出し効率を悪化させる要因となっている。
ところがこの問題は、透明電極によるキャリアの注入性
の向上と表裏の関係にあるため、例えば透明電極の不使
用等は抜本的な問題解決とはならない。

【０００６】また、一般的に面発光型発光ダイオード
（ＬＥＤ）の光取出し効率を制限しているもう一つの大
きな要因に、屈折率の関係で生成された光が外部に放出
されず、素子内部に閉じ込められてしまう現象がある。
即ち、発光素子を構成する結晶と周囲環境との屈折率差
による全反射に起因するもので、素子の外部に取出され
る光は上記の屈折率差によって規定される全反射立体角
内に進行する光に限られる（米津宏雄著、工学図書株式
会社刊行、光通信素子工学第4版 P.111-131）。従っ
て、表面形状を球状に加工することが表面からの光取出
し効率を向上させるために有効であるとされている。し
かし、ＧａＮ系化合物半導体は厚膜成長が基本的に難し
いという特質から、一般的なＧａＮ系化合物半導体発光
素子においては、上部透明電極から発光層までの距離が
極めて短いものとならざるを得ず、表面形状を球状に加
工することは極めて困難である。

【０００７】上述の透明電極による光吸収の問題を解決
する一つのアプローチとして、フリップチップ型と呼ば
れる発光素子の実装方式がある。この実装方式は、電極
を形成した素子面を下側にしてマウントして光を基板側
から取り出すようにすることで電極による光の吸収を回
避しようとする実装方式なのであるが、サファイア基板
側を球状に加工することで理論的には光取出しにも理想
的な構造及び実装方式と言える。しかし、実装には相応
の困難性が伴い、現状ではフリップチップ型にてリード
フレームに発光素子を簡単に実装できるレベルには至っ
ていない。

【０００８】そこで本発明者らは上記以外の要因を種々
検討した結果、一般的なＧａＮ系化合物半導体発光素子
においては、素子の鉛直（表面）方向からのみならず、
水平（端面）方向からも光が放射されており、この放射
成分もまた、光の取り出し効率を悪化させる要因である
上記の全反射立体角の制限を受けていることを見出し
た。つまり図６に示すように、発光層のあるポイントｘ
を発光点とする光は、素子の端面に対して垂直に近い角
度で進行するものについては当該端面で極小の反射損失
を受けるだけで外部に放出されるが、一定の限度を超え
た斜角をもって端面へ進行したものにあっては、当該端
面で反射されてしまい素子内に閉じ込められ、ついには
熱となって消滅することになる。すなわち、発光点ｘに
て発生した光のうち、所定角θをもって素子端面に進行
した光ｐしか外部に取り出せないことになる。而して、
内部量子効率を極限的に向上させたとしても、上述のよ
うな光取り出し効率を悪化させる要因を除去しない限
り、結果として高出力化を図れないのである。

【０００９】従って本発明は、光取出し効率を高め、外
部量子効率を格段に向上させた半導体発光素子を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、基板上に、第一導電型の半導体層、発光層、第二導
電型の半導体層からなる発光領域が少なくとも形成され
ている半導体発光素子において、前記発光領域が、その
端面の少なくとも一部が外側に凸状を呈する曲面を含む
ようにエッチング加工されていることを特徴とするもの
である。

【００１１】上記半導体発光素子が矩形の素子の場合
は、そのコーナー部において上記発光領域を外側に凸状
の円弧形状にエッチング加工することができる。あるい
は、発光領域部分が、素子の上面から見て、円形状乃至
は楕円形状となるようにエッチング加工しても良い。

【００１２】本発明においては、半導体層及び／又は発
光層は、ＡｌＩｎＧａＮにて構成されていることが好ま
しい。また、好ましい電極構造は、第二導電型の半導体
層の表面に、ワイヤーボンディング用のパッド電極と、
この電極と電気的に接触し第二導電型の半導体層表面の
ほぼ全面を電気的にカバーする透光性電流拡散電極とを
設ける構造である。さらに、上記エッチング加工により
除去されて表出した素子表面を、発光領域から発せられ
た光が反射され得る表面とすることが好ましい。

【００１３】

【作用】発光領域の端面が、その外側に凸状を呈する曲
面を含むようにエッチング加工することにより、当該端
面における光の全反射角を拡大することができ、その
分、光の取り出し効率を向上させることができる。即
ち、図１に示すように、素子或いは発光領域の端面が曲
面Ｒとされている場合、ある発光点ｘにて生成された光
は曲面Ｒのどの部分においても垂直に近い角度で端面に
進行することになる。従って、光が端面で反射される確
率は低くなり大部分が外部へ放出されることから、結果
として光の取り出し効率が良好となる。

【００１４】

【発明の実施の態様】以下図面に基づいて、本発明の実
施態様につき説明する。図２は本発明の一実施例を示し
ており、発光領域を円柱状に形成したものを例示してい
る。図において、１は基板、２１は第一導電型の半導体
層、２２は第二導電型の半導体層、２０は発光層であ
る。この場合、第一・第二導電型の半導体層２１，２２
及び発光層２０が発光領域２を形成する層であるが、本
実施例では、第一導電型の半導体層２１の途中までの深
さで、前記発光領域２が素子の上面からみて円形になる
ようにエッチング加工されている。

【００１５】そして、円形にエッチング加工された第二
導電型の半導体層２２の表面にはワイヤーボンディング
用のパッド電極３１と、該電極３１と電気的に接触し第
二導電型の半導体層２２のエッジ部分を除いたほぼ表面
全面を覆う透光性電流拡散電極３２とが形成されてい
る。また、上記エッチング加工により表出した第一導電
型の半導体層２１の表面には、もう一方のワイヤーボン
ディング用のパッド電極４が設けられている。透光性電
流拡散電極は、金属薄膜で形成される透明電極でも良い
し、櫛型電極構造であっても、更にその組み合わせであ
っても良い。

【００１６】上記した基板１とは、各種の半導体結晶層
を成長させるためのベースとなる基板であって、格子整
合のためのバッファ層等も未だ形成されていない状態の
ものを言う。このような基板としては、サファイア（Ｃ
面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ，ＧａＡｓ，ＮＧ
Ｏなどを用いることができるが、発明の目的に対応する
ならばこのほかの材料を用いてもよい。なお、基板の面
方位は特に限定されなく、更にジャスト基板でも良いし
オフ角を付与した基板であっても良い。また、サファイ
ア基板などに数μｍのＧａＮ系半導体をエピタキシャル
成長してある基板を用いても良い。

【００１７】基板1上に成長される半導体層としては種
々の半導体材料を用いることができ、ＡｌＸＧａ1-Ｘ-
ＹＩｎＹＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦
１）ではｘ、ｙの組成比を変化させたＧａＮ、Ａｌ_0.2
Ｇａ_0.8Ｎ、Ｉｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎなどが例示できる。

【００１８】図２に示す発光素子の場合は、例えば基板
１としてサファイアを、第一導電型の半導体層２１とし
てｎ−ＡｌＧａＩｎＮ、発光層２０としてアンドープの
ＧａＩｎＮを主成分とした多重量子井戸（ＭＱＷ）構
造、第二導電型の半導体層２２としてｐ−ＡｌＧａＩｎ
Ｎをそれぞれ用いて素子を構成することができる。この
ようにＡｌＧａＩｎＮにて半導体層及び／又は発光層を
構成すれば、高発光効率を有する紫外域から赤色近傍域
までの発光素子を作製することができるという利点があ
る。

【００１９】本発明にあっては、発光領域２の端面が、
その外側に凸状を呈する曲面を含むように、エッチング
加工により発光領域が形成されていることが必要であ
る。図２に示す実施例では、発光領域部分を素子の上面
からみて円形になるようエッチング加工することで、発
光領域２の端面全体を、その外側に凸状を呈する曲面と
した場合を示している。かかる実施態様ならば、端面に
おける発光光の反射を可及的最小限に抑制できるので好
ましい。この場合、完全な円形でなく楕円形としても良
いことは勿論である。

【００２０】上記のように端面全体を外側に凸状を呈す
る曲面とせずとも、部分的にそのような曲面を具備させ
るようなエッチング加工であっても良い。例えば図３に
示すように、矩形の発光素子構造の場合に、そのコーナ
ー部において発光領域の端面を外側に凸状の円弧形状に
エッチング加工することにより形成した曲面Ｒとするこ
とができる。この他、矩形の一辺において発光領域の端
面を外側に凸状の曲面とする、あるいは電極４と対向す
る端面部分を外側に凸状の曲面とする等の構成とするこ
ともできる。

【００２１】さらに図４に示すように、上面から見て楕
円形状をした２つの発光領域部分２ａ，２ａを橋絡部分
２ｂで一体化した如きエッチング加工や、図５に示すよ
うに、上面から見て円形状をした複数の発光領域部分２
ｃ，２ｃ…を同様に橋絡部分２ｂで一体化した如きエッ
チング加工とすることもできる。この場合、特に図５の
態様にあっては、外側に凸状の曲面Ｒの端面表面積を、
図２に示す実施例の場合に比べて増加させ得るので好ま
しい。

【００２２】また、各々にワイヤボンデングが必要には
なるが、橋絡部分２ｂを取り除いた島状の複数の発光領
域部分を設ける構造とすることも可能である。複数の独
立した発光領域部分を有する構造では、同時に発光させ
ることによって発光出力を発光領域の個数倍に増加させ
ることができる。また、一個の発光領域の劣化あるいは
故障時に発光領域を切り換えて使うこともできる。

【００２３】本発明において行うエッチングの手段とし
ては、塩素ガスを主成分とするプロセスガスを使った反
応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの方法を採用する
ことができる。このようなエッチング手法により発光領
域の端面を露出させるエッチング加工を行うのである
が、該加工は少なくとも発光層が、好ましくはほぼ垂直
に、あるいは下面が上面より広がる方向に傾斜して露出
するような深さにまで行う。傾斜は、複数個の発光領域
を有し隣接した発光端面が存在する場合には、隣接端面
からの発光を上部方向（素子の鉛直方向）に反射する面
として作用するので有効である。

【００２４】図２に示す実施例では第一導電型の半導体
層２１の途中までの深さまでのエッチング除去に止めて
いるが、このような加工は基板１がサファイアのように
絶縁性のもので電極４を半導体層２１に設けねばならな
い場合に好適である。而して、基板１としてＳｉＣある
いはＧａＮ等の導電性のものを用いる場合は、基板に至
る深さにまでエッチング加工を施しても構わない。

【００２５】第二導電型の半導体層２２の表面に設ける
電極構造の好ましい態様は、ワイヤーボンディング用の
パッド電極と、この電極と電気的に接触し第二導電型の
半導体層表面のほぼ全面を電気的にカバーする透光性電
流拡散電極とからなる構造である。このような電極構造
とすることで、発光層への電流の拡散性が良好となるか
らである。ここで拡散電極としては、透明電極や櫛形電
極、或いはその組み合わせを用いることができる。

【００２６】上記エッチング加工により除去されて表出
した素子表面を、発光領域から発せられた光が反射され
得る表面とすることが好ましい。図２で示した実施例の
場合ならば、エッチング加工により表出した第一導電型
の半導体層２１の水平表面を、端面から発せられた光の
反射面とするものである。この反射面の形成手法として
は、エッチング加工自体を鏡面エッチングとしても良い
し、反射構造物となる程度に表面を荒らしたエッチング
で形成できる。この場合は表出した半導体層２１のバン
ドギャップが端面から発せられた光の波長換算エネルギ
ーより大きい事が望ましい。あるいは、誘電体多層膜や
金属薄膜等を第一導電型の半導体層２１の表出した水平
表面に形成する等の方法が挙げられる。

【００２７】

【実施例】以下、具体的な実施例について説明する。
［実施例１］（素子設計）図２に記載の実施例の如き、ほぼ円柱型の
発光領域を有する発光素子を設計した。ここで、一辺が
長さＬ［μｍ］の正方形の発光素子を考え、ｎ側パッド
電極４の半径をＲ１［μｍ］、発光領域の半径をＲ２
［μｍ］、ｐ側パッド電極３１の半径をＲ３とすると、Ｒ３＜Ｒ２、２．４１×（Ｒ１＋Ｒ２）＜１．４１×Ｌの関係が成立する。Ｌ＝３５０μｍ、Ｒ１＝６０μｍと
すると、Ｒ２は最大で１４５μｍとなる。そこで、Ｒ２
＝６０μｍ、８０μｍ、１００μｍ、１２０μｍ、１４
０μｍの５種類を設計し、フォトマスクを作製した。Ｒ
３は全て５５μｍとした。

【００２８】（素子作製及び評価）ｃ面サファイア基板
（厚み３５０μｍ）を、通常の横型常圧ＭＯＶＰＥ（有
機金属気相エピタキシャル成長）装置に装着し、水素気
流中で１１００℃まで昇温した。所定時間保持してサー
マルエッチングを行なった後、４５０℃まで降温し、Ｇ
ａＮ低温バッファ層を成長した。続いて１０００℃まで
昇温し、５００ｎｍの無添加ＧａＮを成長し、３５００
ｎｍのＳｉ添加ＧａＮを成長した。発光層は３ｎｍのＩ
ｎＧａＮ井戸層（４層）と６ｎｍのＧａＮ障壁層を持っ
たＭＱＷ（多重量子井戸）構造とし、井戸層のＩｎ組成
は発光波長が４６５ｎｍになる様に調整した。成長温度
は７００℃であり、無添加で成長した。再び１０００℃
まで昇温しＭｇを添加した５０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
クラッド層を成長し、同じくＭｇを添加した１００ｎｍ
のＧａＮコンタクト層を更に成長した。結晶成長後、８
５０℃に雰囲気温度が低下した時点で雰囲気ガスを窒素
に切り換えて室温近くまで冷却した。ＭＯＶＰＥ炉から
基板を取り出し、通常のフォトリソグラフィ技術（リフ
トオフ技術）、電子ビーム蒸着技術を用いて、Ｎｉ／Ａ
ｕから構成されるｐ側透光性電極を形成した。次に、リ
アクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）に耐性のあるフ
ォトレジストを用いて、ｐ側透光性電極領域を含んだほ
ぼ円形のパターンを形成し、ＲＩＥ装置にて１μｍのエ
ッチングを行った。ｎ側及びｐ側のワイヤーボンディン
グ用パッド電極はＴｉ／Ａｌ薄膜で同時に形成した。

【００２９】得られたチップを、エポキシ系樹脂を使っ
てＬＥＤランプに加工し、発光出力の比較を行った。得
られた結果を下表に纏めて示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】この様に、Ｒ２を小さくする方が発光出力
は大きくなる傾向が見られた。これは、円形の曲率が小
さくなる方が光取出し効率が向上する効果と、電流集中
でキャリヤ密度が向上する効果と推定される。Ｒ２は６
０μｍが最小値ではなく、パッド電極を発光領域外に配
置することで更に小さくする事が可能である。

【００３２】［実施例２］（素子設計）図３に記載した如き発光素子構造（従来構
造の発光領域の角部にＲ＝２０μｍの曲率のＲを付け
た）を設計した。（素子作製及び評価）実施例１と同じ層構造の結晶成長
を行い、ランプ化まで行った。その結果、従来構造より
約１割の発光出力の向上が見られた。

【００３３】［実施例３］（素子設計）図４に記載した２つの楕円型発光領域を備
える発光素子を設計した。素子は一辺が３５０μｍ
（Ｌ）の正方形であり、ｎ側パッド電極の半径Ｒ１を５
０μｍとした。ｐ側パッド電極は半径Ｒ２を５０μｍと
し、発光領域は長軸長が３００μｍ、短軸長が８０μｍ
の楕円形で設計した。連結部の幅は２０μｍとし、ｐ側
パッド電極３１の下部は該電極より５μｍ大きい半径と
した。透光性電極は発光領域表面のほぼ全面に形成し
た。（素子作製及び評価）実施例１と同じ層構造の結晶成長
を行い、ランプ化まで行った。その結果、発光出力は１
６．２ｍＷであった。

【００３４】［実施例４］（素子設計）図５に記載のように、8個の円柱状の発光
領域を備える発光素子を設計した。素子は一辺が３５０
μｍ（Ｌ）の正方形とし、ｎ側パッド電極４の半径Ｒ１
を５０μｍとした。ｐ側パッド電極は何処に位置しても
良いが、ここでは中央に置いた。発光領域２Ｃは半径４
０μｍとし、８個を碁盤の目状に配し、連結領域２ｂ
（幅２０μｍ）で電気的に結合している。但し、ｐ側パ
ッド電極の形成された発光領域のみ半径５０μｍとし
た。（素子作製及び評価）実施例１と同じ層構造の結晶成長
を行い、ランプ化まで行った。その結果、発光出力は１
９．５ｍＷであった。

【００３５】

【発明の効果】以上説明した通りの本発明の半導体発光
素子によれば、発光領域の端面において発光光が反射さ
れる確率は低くなり大部分が外部へ放出されることか
ら、結果として光の取り出し効率が良好となる。従っ
て、本発明にかかる素子構造を採用することによりＬＤ
やＬＥＤの高出力化が達成でき、例えば照明用途として
実用化し得るＬＥＤ光源を提供することができるという
優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる発光素子の発光状態を説明する
ための斜視図である。

【図２】本発明にかかる発光素子の一実施例を示す斜視
図である。

【図３】本発明にかかる発光素子の他の実施例を示す平
面図である。

【図４】本発明にかかる発光素子の他の実施例を示す平
面図である。

【図５】本発明にかかる発光素子の他の実施例を示す平
面図である。

【図６】従来の発光素子の発光状態を説明するための斜
視図である。

【符号の説明】

１基板２発光領域２０発光層２１第１導電型の半導体層２２第２導電型の半導体層３１ワイヤーボンディング電極３２透明電極４ワイヤーボンディング電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大内洋一郎兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者常川高志兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 CA05 CA12 CA14 CA34 CA40 CA46 CA57 CA65 CA74 CA82 CA88 CA92 DA07 DA44 FF11 5F073 AA74 CA07 DA25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、第一導電型の半導体層、発光
層、第二導電型の半導体層からなる発光領域が少なくと
も形成されている半導体発光素子において、前記発光領
域が、その端面の少なくとも一部が外側に凸状を呈する
曲面を含むようにエッチング加工されていることを特徴
とする半導体発光素子。
【請求項２】上記半導体発光素子が矩形の素子であっ
て、そのコーナー部において上記発光領域が外側に凸状
の円弧形状にエッチング加工されていることを特徴とす
る請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】上記発光領域部分が、素子の上面から見
て、円形状乃至は楕円形状とされていることを特徴とす
る請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】半導体層及び／又は発光層がＡｌＩｎＧ
ａＮにて構成されていることを特徴とする請求項１記載
の半導体発光素子。
【請求項５】その端面の少なくとも一部が外側に凸状
を呈する曲面を有する発光領域を基板上に独立して複数
設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素
子。
【請求項６】その端面の少なくとも一部が外側に凸状
を呈する曲面を有する発光領域を基板上に独立状に設
け、これに複数の発光領域を橋絡部にて相互に一体化し
たことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項７】第二導電型の半導体層の表面に、ワイヤー
ボンディング用の電極と、この電極と電気的に接触し第
二導電型の半導体層表面のほぼ全面に形成された透光性
電流拡散電極とを設けたことを特徴とする請求項１記載
の半導体発光素子。
【請求項８】上記エッチング加工により表出した素子
表面を、発光領域から発せられた光が反射され得る表面
としたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素
子。