JP2004039663A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】発生した光を有効に活用することにより、高輝度で、かつ白色の発光素子の色度の調整を容易にできるZnSe系発光素子を提供する。
【解決手段】出射面16から光を外部に出射するZnSe系発光素子であって、自己活性発光中心SAを含むn型ZnSe基板1と、n型ZnSe基板1の上に形成された活性層4と、出射面16と反対側の面に位置し、光を出射面側に反射するAl層9aとを備える。
【選択図】 図10
【解決手段】出射面16から光を外部に出射するZnSe系発光素子であって、自己活性発光中心SAを含むn型ZnSe基板1と、n型ZnSe基板1の上に形成された活性層4と、出射面16と反対側の面に位置し、光を出射面側に反射するAl層9aとを備える。
【選択図】 図10
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、より具体的にはZnSe系発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ZnSe系白色発光素子では、n型ZnSe基板上に形成されたpn接合を含む活性層において青色光を発光し、さらに、ZnSe基板における自己活性発光中心(SA(Self−Activated)中心)がその青色光を受けて励起され黄色光を発光する。図12は、ZnSe系白色発光素子を示す構成概略図である。SA中心を有するn型ZnSe基板101の上にn型ZnSeエピタキシャル層103が形成され、その上に少なくとも1つのpn接合を含む発光層である活性層104が形成されている。その上にはp型ZnSeエピタキシャル層105が形成されている。活性層104で発光を生じさせるには、n型ZnSe基板101の裏面に設けたn型電極112と、p型ZnSeエピタキシャル層105の上に設けたp型電極110との間に電圧を印加する。電圧は、pn接合に順方向電圧がかかるように、p型電極110に所定の電圧を、またn型電極112にそれより低い電圧を印加する。この電圧印加により、pn接合にキャリアが注入され、活性層104で発光が生じる。ZnSe化合物半導体の場合、活性層から発光される光は、活性層内のZnSe層に相当する波長の青色である。この青色発光は狭いバンド幅を有する。
【0003】
この青色光は、上面側のp型ZnSeエピタキシャル層を通り出射面から外に出射されるだけでなく、下側のn型ZnSe基板101にも到達する。n型ZnSe基板には、あらかじめ、ヨウ素、アルミニウム、塩素、臭素、ガリウム、インジウム等を少なくとも1種類ドーピングしてn型導電性としている。このドーピングにより、ZnSe基板にはSA発光中心が形成される。上記の青色光を含む510nm以短の短波長域の光の照射により、SA発光中心から、550nm〜650nmの長波長域の光が発光される。この長波長域の光は、黄色または橙色の可視光である。
【0004】
図中の活性層からの青色もしくは青緑色発光のうち、ZnSe基板方向に伝播するものは、ZnSe基板1に吸収されて、光励起発光を起こして黄色もしくは橙色もしくは赤色の光を発する。この両者の発光を組み合わせることにより、白色光を得ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ZnSe系半導体発光素子を発光させるためには、p型半導体層の上に配置されたp型電極と、n型ZnSe基板の裏面に形成されるn型電極の間に電圧を印加する必要がある。n型ZnSe基板の裏面に形成されるn型電極には、従来、融着法によるInや、再成長または蒸着法によるAu/Tiが使用されていた。これらの金属は、活性層からの青色もしくは青緑色発光やn型ZnSe基板で発生する長波長域の光に対して反射率が低く、これらの光の多くを吸収していた。
【0006】
上記のように、ZnSe系発光素子は、活性層で発生する短波長域の光に加えて、ZnSe基板で発生する長波長域の光も用いる。このため、ZnSe系基板における発光をできるだけ多く有効に取り出すことは出力向上や色度制御のためにも重要である。
【0007】
本発明の主目的は、半導体素子で発生した光を有効に活用することにより、高輝度の半導体発光素子を得ることにある。また、副次的な目的は、白色光を発光する半導体発光素子の色度の調整やさらに出力、色度のばらつきを抑制するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、出射面から光を外部に出射する半導体発光素子である。この半導体発光素子は、自己活性発光中心を含む第1導電型半導体基板と、第1導電型半導体基板の上に形成された活性層と、出射面と反対側の面に位置し、光を出射面側に反射するAl層とを備える。
【0009】
上記のように、出射面と反対側の実装基板側にAl層を配置させることにより、活性層から発光する青色光および半導体基板中からのSA発光をAl層で反射し、出射面に向けることにより、出力を向上、すなわち輝度を向上することができる。また、SA発光中心から発光される光もAl層で反射され有効化されるが、それだけでなく短波長域光が反射されて半導体基板中を伝播するとき、再度SA発光中心を励起するので、その分長波長域光の強度は増大し、励起に寄与した活性層からの光は吸収され、その強度は減少する。このため、白色光において活性層からの光の成分に対して、SA発光中心からの光の成分を高めることが可能になる。
【0010】
上記の発光素子は、実装されるとき、エピアップ(基板ダウン)実装でも、エピダウン(基板アップ)実装でもよい。エピダウン等とは、上記第1および第2導電型半導体層が基板上にエピタキシャル成長されるために呼ばれる実装における発光素子の向きを表す用語である。エピアップ(基板ダウン)とは、半導体基板が実装基板に固定され、エピタキシャル層が出射面を構成することをさし、エピダウン(基板アップ)とはエピタキシャル層の側が実装基板に固定され、半導体基板が出射面を構成することをさす。上記のAl層は、エピアップ実装することを前提とする半導体発光素子にも、エピダウン実装することを前提とする半導体発光素子にも用いることができる。
【0011】
すなわち、上記の出射面は、活性層の上に形成された第2導電型半導体層の側に位置し、Al層が第1導電型半導体基板に電気的に接続される電極を構成してもよい。
【0012】
上記の構成により、エピアップ実装において、Al層における反射により高輝度を実現することができる。すなわち、活性層からの光がAl層に向うとき、およびAl層で反射されて出射面に向うときの合計2回半導体基板中のSA発光中心を励起する。このため、SA発光の強度を高め、また活性層からの光そのものの強度をも高くすることができる。
【0013】
上記の第1導電型半導体基板の表面(裏面)に第1導電型不純物を第1導電型半導体基板よりも高濃度に含む高濃度第1導電型半導体層を設け、その高濃度第1導電型半導体層に接して、Al層が位置する構造としてもよい。
【0014】
この構成により、エピアップ実装の場合に、裏面電極をオーミックにすることが容易となる。
【0015】
上記の出射面は、第1導電型半導体基板の側に位置し、Al層が活性層の上に形成された第2導電型半導体層の側に位置するようにしてもよい。
【0016】
この構成により、エピダウン実装においても、半導体発光素子中で発光した光の有効活用をはかり、輝度を高めることができる。
【0017】
また、上記のAl層の上に接して、さらにAu層、および/または、2層からなるTi(下層)/Au(上層)を有することができる。このAu層またはTi/Au層により、不安定なAl層を保護して安定化することが可能となる。
【0018】
上記の第1導電型半導体基板が自己活性発光中心を含むn型ZnSe基板であり、n型ZnSe基板の上に形成されたpn接合を含む活性層を有する構成とすることができる。
【0019】
上記のように、半導体基板として比較的製造しやすいn型ZnSeを用い、たとえばエピアップ実装する場合、活性層で生じた光がAl層に到達する。活性層からZnSe基板の表面(裏面)にまで到達する光量は基板の吸収係数に依存するが、PVT(Physical Vapor Transport)法で作製したZnSe基板の吸収係数はそれほど大きくなく、相当量の光が活性層からZnSe基板の表面(裏面)に到達する。裏面に到達した光は、Al層で反射して、上方へと戻される。従来の裏面電極に用いられていたIn電極やTi電極では、これらの光は裏面電極でほとんど吸収されていた。上記のようにAl層を配置することにより、光取り出し部へと反射され、ZnSe基板をもう一度通る。活性層からの光がもう一度ZnSe基板を上方へと通過するとき、ZnSe基板中の発光中心からもう一度長波長域の光を発光させる。このため、全体の輝度を向上させるだけでなく、相対的にSA発光中心からの光の比率を増すことができる。この結果、たとえば寒色系の白色光をより完全な白色光に近づけたり、さらに暖色系の白色光を得ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【0021】
(実施の形態1)
半導体発光素子のZnSe系白色LEDでは、n型ZnSe基板上に成長させたエピタキシャル活性層からの青色光の一部がZnSe基板中を進行するときSAセンタの励起を行う。このとき、青色光の一部は上記励起のために吸収される。SAセンタは励起され、その緩和過程で発光されるSA発光を利用することによって白色化を実現している。この白色LEDではZnSe基板の裏面に、金属のn型電極が形成されている。ZnSe基板の青色光の吸収が十分でない場合、青色光の一部はZnSe基板の裏面電極に達する。一方、SA発光は、等方的であり、出射面側にも実装面側にも同じ光量の光が放射されるので、相当量のSA光が裏面電極に達する。
【0022】
ZnSe基板の裏面電極での反射率が100%であれば、裏面電極に光が達しても問題は生じない。しかし、実際には100%の反射率はあり得ず、吸収は避けられない。したがってZnSe裏面電極界面での反射率は白色LEDの発光特性を決める上で重要なファクタである。しかし、今までその反射率は測定されておらず、反射率に関する実際の知見はないに等しい。そこで、ZnSe基板の裏面電極界面での反射率を測定した。裏面電極としてはTi層、In層、それにAl層を用い、以下の結果を得た。
【0023】
(a1) 反射率測定の原理
図1(a)に示す配置で反射率を測定すると、測定される反射率(r1)は、空気/ZnSe界面での反射率(R0)と、ZnSe中での吸収係数(a)と、ZnSe/裏面電極界面での反射率(R1)とを含んだ値になる。したがってr1を測定するだけではR1を決定することはできない。r1の測定に加え、図1(b)の配置、すなわち裏面電極がない状態での反射率(r0)と、透過率(T0)とを測定し、これらの3測定の結果からR0、R1、r1およびaを求めることが可能となる。
【0024】
測定値であるr1、r0、T0と、R0、R1およびaとの間には、多重反射も考慮すると以下の関係がある。
【0025】
r0=R0 + [{A2R0(1−R0)2}/{1−(AR0)2}]
T0={A(1−R0)2}/{1−(AR0)2}
r1=R0 + [{A2R1(1−R0)2}/{1−A2R0R1}]
A=exp(−ad)
ここで、dはZnSe基板の厚みである。これらの関係式を使えば、測定値r1、r0、T0からR0、R1、aを算出することができる。
【0026】
(a2) Ti/Au電極の場合の測定
使用したサンプルは以下の3つのサンプルである。
【0027】
(s1) as−grown PVT基板(Physical Vapor Transport法)
(s2) Al−doped PVT基板
(s3) CVT基板(Chemical Vapor Transport法)
各ウエハを10mm×10mmにへき開後、厚み200μmになるように両面ミラー研磨を施した。サンプル(s2)Al−doped PVTに関しては、Alが存在する領域が残るように各面を研磨した。
【0028】
電極溶着前に上記3つのサンプルの透過率T0および反射率r0を測定した。測定結果を図2および図3に示す。
【0029】
透過率の違いは、ドーピングの有無とドーパントの違いによるものである。ドーピングすると吸収端が長波長側にシフトする。Alよりヨウ素の方がその傾向が顕著である。反射率は長波長側ではあまり変わらないが、吸収端近くになると大きく異なる。しかし、これだけでは吸収の影響が出たのか界面での反射率R0が異なるのかは判断できない。上記の測定結果から、空気/ZnSe界面での反射率R0と吸収係数aを算出した結果を図4および図5に示す。これらの図によれば、R0は各サンプルで大きく異ならない。
【0030】
次に、これらのサンプルの片面にTi/Au薄膜を蒸着した。Tiの膜厚は500Å、Auの膜厚は1000Åとした。ここでTi膜は十分に厚く、入射光は透過しないのでTiの後に蒸着したAuの影響はほとんどないと考えられる。反射率r1の測定結果を図6に示す。
【0031】
この反射率r1からTi/ZnSe界面での反射率R1を算出すると、図7のようになる。図7からわかるように、Ti/ZnSe界面での反射率R1はあまり高くない。裏面電極に対した入射光の多くは吸収され失われてしまう。CVT基板を使用した場合、青色光に対する吸収係数が大きいので(図4参照)、青色光は裏面まで達しない。しかし、青色光が変換されたSA光の一部はやはり裏面に達するので、光の吸収ロスは避けられない。PVT基板を使用した場合、青色光の吸収係数が小さいので、青色光の一部は裏面に達して吸収され失われる。もちろん活性層からの青色光だけでなく、SA光の一部も失われる。
【0032】
(a3) In電極およびAl電極の場合
次に、as−grown PVT基板の片面にInまたはAlを蒸着して反射率r1を測定して、InおよびAlに対する反射率R1を評価する。ここでas−grown PVT基板の吸収係数aと反射率R0としては(a2)において測定した値を使用し、ここで新たに測定はしなかった。
【0033】
測定した反射率r1とそれから見積った(InまたはAl/ZnSe界面)の反射率R1を図8および図9に示す。
【0034】
図8および図9からわかるように、In電極を使用した場合、Ti電極よりはやや反射率は上がるが、大きく向上するわけではない。一方、Al電極を使用すると反射率が大幅に向上することがわかる。したがって裏面電極にAlを使用することにより、発光素子(LED)の輝度を大きく向上させることが可能となる。
【0035】
(a4) まとめ
上記の測定結果をまとめると、(Ti、InまたはAl/ZnSe界面)での反射率を測定し、Ti電極および/またはIn電極を使用した場合、反射率は20%〜30%程度と低いことを確認した。これに対して、Al電極では、反射率は75%程度と大幅に高くなることが判明した。したがって白色LEDの裏面電極として、Ti層やIn層を使用すると、裏面電極での光の吸収ロスが大きくなるが、Al層を使用すればその吸収ロスが大幅に減少することが分かった。この結果、出射面と反対側の実装面の電極にAl層を用いることにより、実装面において光を反射して出射面側に向わせるので、光を無駄にしないで輝度を高めることが可能になる。
【0036】
(実施の形態2)
図10は、本発明の実施の形態2におけるZnSe系発光素子を示す図である。図10において、n型ZnSe単結晶基板1の上に、順次、1μm厚のn型ZnSeバッファ層2、0.5μm厚のn型ZnMgSSeクラッド層3、ZnSe/ZnCdSe多重量子井戸活性層4、0.5μm厚のp型ZnMgSSeクラッド層5、0.2μm厚のp型ZnSe層6、ZnTeとZnSeの積層超格子構造からなるp型コンタクト層7が形成されている。さらにその上に、40nm厚のp型ZnTe層8が形成されている。このようなエピタキシャル構造の上に、Au薄膜10aが形成されている。
【0037】
pn接合での発光は電極からの電流密度が高い位置ほど強く発光するので、電流が活性層中のpn接合全体に行き渡って流れるよう、p型ZnSeエピタキシャル膜の表面を、薄い金(Au)膜が被覆している。金膜の厚さは薄ければ薄いほどよいが、薄くなり過ぎると均一な発光が得られなくなる。
【0038】
n型ZnSe基板1には、n型不純物であるヨウ素、アルミニウム、塩素、臭素、ガリウム、インジウム等を1種類以上ドーピングし、510nm以短の波長の光の照射により550nm〜650nmの範囲に発光波長の中心をもつSA(Self−Activated)発光中心を形成している。なお、以後、ZnSe基板に形成される各層はいずれもエピタキシャル層であるが、エピタキシャル層であることを一々断らない。
【0039】
図10で最も特徴的なことは、n型ZnSe基板の裏面にAl層9aが配置されていることである。Al層9aとn型ZnSe基板1との間には、n型不純物をZnSe基板よりも高濃度で含むn+型ZnSe層19が介在している。n+型ZnSe層19はエピタキシャル膜であることが望ましい。このような高濃度n型ZnSe層19を介在させることにより、Al層9aはn型ZnSe基板1とオーミック接触を実現することが容易となる。Al層9aの上にはAl層の不安定性を保護するためにAu膜9bが被覆される。
【0040】
上記のように、n型ZnSe基板の裏面電極にAl層が配置されたことにより、従来、Ti層やIn層などにより吸収され損失されていた光の大部分を出射面側に反射することができる。このため、ZnSe系発光素子の出力を向上させ、輝度を高めることができる。また、従来、SA発光からの長波長域光は裏面電極に向かうものは吸収ロスとされていたが、その分の大部分が反射されて出射面側に向い有効化される。さらに、活性層からの短波長域光がAl層で反射されて出射面側に向うときSA発光中心は再度励起されて、長波長域の光を発光する。また、その励起に寄与した短波長域光は吸収されロスとなる。このため、相対的に長波長域光の強度が短波長域光の強度に比べて高くなり、寒色の白色光をより完全な白色光に近づけることが可能となる。すなわち、輝度を向上させるだけでなく、白色光の色度の調整をすることができる。
【0041】
(実施例)
実施の形態2のZnSe系発光素子を作製して、Al層を設けた効果を検証した。本発明例は、図10に示すZnSe系発光素子であり、ZnSe基板1の裏面にAl層9aを配置してある。また、Al層9aとZnSe基板1との間にはn+型ZnSe層19を介在させ、Al層9aの上にはAu層9bを積層している。また、比較例として、Al層の代わりにTi層を用いたZnSe系発光素子を作製した。これら本発明例と比較例とについて、輝度および色度を測定した。色度は直上の色度である。結果を表1に示す。
【0042】
【表1】
【0043】
表1によれば、従来のように、Ti/Auからなる電極では、出力は1.83mWが得られた。一方、本発明例では、出力2.72mWとなり、約1.5倍の出力を得ることができた。また、色度(X,Y)は、Ti層を用いた場合、(0.184,0.261)であり、寒色系白色であった。しかし、Al層を用いることにより、(0.208,0.261)となり、暖色成分を増大させる効果が得られた。このようにAl電極を用いることにより、出力向上および色度制御が可能となり、高出力の白色LEDを得ることができる。また、活性層からの光を裏面で反射することにより、出力および色調のばらつきを抑えることができる。
【0044】
(実施の形態3)
図11は、本発明の実施の形態3におけるZnSe系発光素子を示す図である。本実施の形態では、ZnSe基板アップ(p型層ダウン)実装に特徴がある。p型層ダウン実装であるため、活性層の全体にわたって所定以上の電流密度を供給するためp型電極は全面を覆う必要があるが、出射面を構成するn型ZnSe基板の表面全体にわたってTi/Au膜を形成する必要はない。このため、出射面16には、格子状電極12が設けられている。上記の構造のため、Al層の反射作用の効果に加えて、p型層ダウン実装により、出射面を全面被覆するp型電極Ti/Au膜を用いなくてもよく、この分の輝度上昇をさらに得ることが可能になる。
【0045】
図11において、n型ZnSe基板1の上面に接して基板1よりも高濃度にn型不純物を含む高濃度ZnSeエピタキシャル層15が設けられている。この高濃度ZnSeエピタキシャル層15に接してTi/Auからなる格子状電極12が設けられている。この高濃度ZnSeエピタキシャル層15は、Ti/Au格子状電極12がオーミック電極となることが容易となるように設けられている。この高濃度ZnSeエピタキシャル層15は、またこの発光装置における出射面16を形成する。
【0046】
上記のZnSe基板の上には、順に下側に、n型ZnSeバッファ層2と、n型ZnMgSSeクラッド層3と、ZnSe/ZnCdSe多重量子井戸活性層4と、p型ZnMgSSeクラッド層5およびp型ZnTe/ZnSe超格子コンタクト層7とが形成されている。p型ZnTe/ZnSe超格子コンタクト層7の上には、オーミック電極Auを周辺部に格子状に配置し、さらに電流をチップ全面に拡げるためにハニカム状のAu電極を形成する。この電極にAlを全面に蒸着し、ハニカム状の開口部から出射される活性層からの発光を反射させる。なお、ボトム側の電極はオーミック接触をする金属が、(s1)所定の面積被覆率で離散的に全面に配置されるか、または(s2)連続していても所定の開口率の開口部を有しながら全面に配置され、残りの部分をAl層が被覆すればよい。上記実施の形態におけるAu膜の格子状電極とハニカム形状との組み合わせの配置は、上記(s2)の連続していながら、所定の開口率を有する場合に該当する。上記のボトム電極では、オーミック接触する金属(Au)が周縁部に配置され、格子状電極が形成されていたが、ボトム電極の全面に、オーミック接触の金属が離散的に配置されていてもよい。すなわち、(s1)の配置であってもよい。
【0047】
図11の構造によれば、エピアップ構造と異なり、出射面の全面を覆うAu膜はない。このため、出射光がAu電極膜で吸収されることがないので、この分、高輝度にすることができる。さらに、実施の形態2で詳細に説明したように、活性層からの光はp側電極に部分的に設けられたAl層による反射作用を得ることにより、より一層輝度を向上させることができる。また、実施の形態2で説明した理由により、寒色系の白色光における暖色系の光の強度を高め、より完全な白色光に近づけることが可能となる。
【0048】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態はあくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことを意図するものである。
【0049】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子を用い、Al層を出射面と反対側の面の電極に用いることにより、高輝度で、かつSA発光の成分を高めて色度の調整を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における反射率の測定方法の原理図であり、(a)は空気と接する面からの反射を含む反射率r1の測定を示す図であり、(b)は(a)の測定を補完して必要な反射率R1を得るために、反射率r0および透過光T0を測定する方法を示す図である。
【図2】透過光T0の測定結果を示す図である。
【図3】反射率r0の測定結果を示す図である。
【図4】T0とr0との測定結果から算出した吸収係数aを示す図である。
【図5】T0とr0との測定結果から算出した反射率R0を示す図である。
【図6】反射率r1の測定結果を示す図である。
【図7】Ti/ZnSe界面における反射率R1の算出結果を示す図である。
【図8】Al層、In層およびTi層をそれぞれZnSe基板の裏面に有する場合の反射率r1の測定結果を示す図である。
【図9】Al層、In層およびTi層のそれぞれとZnSe層との界面の反射R1の算出結果を示す図である。
【図10】本発明の実施の形態2におけるZnSe系発光素子を示す図である。
【図11】本発明の実施の形態3におけるZnSe系発光素子を示す断面図である。
【図12】従来のZnSe系発光素子を示す図である。
【符号の説明】
1 n型ZnSe基板、2 n型ZnSeバッファ層、3 n型ZnMgSSeクラッド層、4 ZnSe/ZnCdSe多重量子井戸活性層、5 p型ZnMgSSeクラッド層、7 p型ZnTe/ZnSe超格子コンタクト層、8 p型ZnTe層、9a Al層、9b Au層、10 p型電極、10a Au膜、10b 格子状Ti/Au膜、12 n型電極、15 n+型ZnSe層、16 出射面、SA 自己活性中心。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、より具体的にはZnSe系発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ZnSe系白色発光素子では、n型ZnSe基板上に形成されたpn接合を含む活性層において青色光を発光し、さらに、ZnSe基板における自己活性発光中心(SA(Self−Activated)中心)がその青色光を受けて励起され黄色光を発光する。図12は、ZnSe系白色発光素子を示す構成概略図である。SA中心を有するn型ZnSe基板101の上にn型ZnSeエピタキシャル層103が形成され、その上に少なくとも1つのpn接合を含む発光層である活性層104が形成されている。その上にはp型ZnSeエピタキシャル層105が形成されている。活性層104で発光を生じさせるには、n型ZnSe基板101の裏面に設けたn型電極112と、p型ZnSeエピタキシャル層105の上に設けたp型電極110との間に電圧を印加する。電圧は、pn接合に順方向電圧がかかるように、p型電極110に所定の電圧を、またn型電極112にそれより低い電圧を印加する。この電圧印加により、pn接合にキャリアが注入され、活性層104で発光が生じる。ZnSe化合物半導体の場合、活性層から発光される光は、活性層内のZnSe層に相当する波長の青色である。この青色発光は狭いバンド幅を有する。
【0003】
この青色光は、上面側のp型ZnSeエピタキシャル層を通り出射面から外に出射されるだけでなく、下側のn型ZnSe基板101にも到達する。n型ZnSe基板には、あらかじめ、ヨウ素、アルミニウム、塩素、臭素、ガリウム、インジウム等を少なくとも1種類ドーピングしてn型導電性としている。このドーピングにより、ZnSe基板にはSA発光中心が形成される。上記の青色光を含む510nm以短の短波長域の光の照射により、SA発光中心から、550nm〜650nmの長波長域の光が発光される。この長波長域の光は、黄色または橙色の可視光である。
【0004】
図中の活性層からの青色もしくは青緑色発光のうち、ZnSe基板方向に伝播するものは、ZnSe基板1に吸収されて、光励起発光を起こして黄色もしくは橙色もしくは赤色の光を発する。この両者の発光を組み合わせることにより、白色光を得ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ZnSe系半導体発光素子を発光させるためには、p型半導体層の上に配置されたp型電極と、n型ZnSe基板の裏面に形成されるn型電極の間に電圧を印加する必要がある。n型ZnSe基板の裏面に形成されるn型電極には、従来、融着法によるInや、再成長または蒸着法によるAu/Tiが使用されていた。これらの金属は、活性層からの青色もしくは青緑色発光やn型ZnSe基板で発生する長波長域の光に対して反射率が低く、これらの光の多くを吸収していた。
【0006】
上記のように、ZnSe系発光素子は、活性層で発生する短波長域の光に加えて、ZnSe基板で発生する長波長域の光も用いる。このため、ZnSe系基板における発光をできるだけ多く有効に取り出すことは出力向上や色度制御のためにも重要である。
【0007】
本発明の主目的は、半導体素子で発生した光を有効に活用することにより、高輝度の半導体発光素子を得ることにある。また、副次的な目的は、白色光を発光する半導体発光素子の色度の調整やさらに出力、色度のばらつきを抑制するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、出射面から光を外部に出射する半導体発光素子である。この半導体発光素子は、自己活性発光中心を含む第1導電型半導体基板と、第1導電型半導体基板の上に形成された活性層と、出射面と反対側の面に位置し、光を出射面側に反射するAl層とを備える。
【0009】
上記のように、出射面と反対側の実装基板側にAl層を配置させることにより、活性層から発光する青色光および半導体基板中からのSA発光をAl層で反射し、出射面に向けることにより、出力を向上、すなわち輝度を向上することができる。また、SA発光中心から発光される光もAl層で反射され有効化されるが、それだけでなく短波長域光が反射されて半導体基板中を伝播するとき、再度SA発光中心を励起するので、その分長波長域光の強度は増大し、励起に寄与した活性層からの光は吸収され、その強度は減少する。このため、白色光において活性層からの光の成分に対して、SA発光中心からの光の成分を高めることが可能になる。
【0010】
上記の発光素子は、実装されるとき、エピアップ(基板ダウン)実装でも、エピダウン(基板アップ)実装でもよい。エピダウン等とは、上記第1および第2導電型半導体層が基板上にエピタキシャル成長されるために呼ばれる実装における発光素子の向きを表す用語である。エピアップ(基板ダウン)とは、半導体基板が実装基板に固定され、エピタキシャル層が出射面を構成することをさし、エピダウン(基板アップ)とはエピタキシャル層の側が実装基板に固定され、半導体基板が出射面を構成することをさす。上記のAl層は、エピアップ実装することを前提とする半導体発光素子にも、エピダウン実装することを前提とする半導体発光素子にも用いることができる。
【0011】
すなわち、上記の出射面は、活性層の上に形成された第2導電型半導体層の側に位置し、Al層が第1導電型半導体基板に電気的に接続される電極を構成してもよい。
【0012】
上記の構成により、エピアップ実装において、Al層における反射により高輝度を実現することができる。すなわち、活性層からの光がAl層に向うとき、およびAl層で反射されて出射面に向うときの合計2回半導体基板中のSA発光中心を励起する。このため、SA発光の強度を高め、また活性層からの光そのものの強度をも高くすることができる。
【0013】
上記の第1導電型半導体基板の表面(裏面)に第1導電型不純物を第1導電型半導体基板よりも高濃度に含む高濃度第1導電型半導体層を設け、その高濃度第1導電型半導体層に接して、Al層が位置する構造としてもよい。
【0014】
この構成により、エピアップ実装の場合に、裏面電極をオーミックにすることが容易となる。
【0015】
上記の出射面は、第1導電型半導体基板の側に位置し、Al層が活性層の上に形成された第2導電型半導体層の側に位置するようにしてもよい。
【0016】
この構成により、エピダウン実装においても、半導体発光素子中で発光した光の有効活用をはかり、輝度を高めることができる。
【0017】
また、上記のAl層の上に接して、さらにAu層、および/または、2層からなるTi(下層)/Au(上層)を有することができる。このAu層またはTi/Au層により、不安定なAl層を保護して安定化することが可能となる。
【0018】
上記の第1導電型半導体基板が自己活性発光中心を含むn型ZnSe基板であり、n型ZnSe基板の上に形成されたpn接合を含む活性層を有する構成とすることができる。
【0019】
上記のように、半導体基板として比較的製造しやすいn型ZnSeを用い、たとえばエピアップ実装する場合、活性層で生じた光がAl層に到達する。活性層からZnSe基板の表面(裏面)にまで到達する光量は基板の吸収係数に依存するが、PVT(Physical Vapor Transport)法で作製したZnSe基板の吸収係数はそれほど大きくなく、相当量の光が活性層からZnSe基板の表面(裏面)に到達する。裏面に到達した光は、Al層で反射して、上方へと戻される。従来の裏面電極に用いられていたIn電極やTi電極では、これらの光は裏面電極でほとんど吸収されていた。上記のようにAl層を配置することにより、光取り出し部へと反射され、ZnSe基板をもう一度通る。活性層からの光がもう一度ZnSe基板を上方へと通過するとき、ZnSe基板中の発光中心からもう一度長波長域の光を発光させる。このため、全体の輝度を向上させるだけでなく、相対的にSA発光中心からの光の比率を増すことができる。この結果、たとえば寒色系の白色光をより完全な白色光に近づけたり、さらに暖色系の白色光を得ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【0021】
(実施の形態1)
半導体発光素子のZnSe系白色LEDでは、n型ZnSe基板上に成長させたエピタキシャル活性層からの青色光の一部がZnSe基板中を進行するときSAセンタの励起を行う。このとき、青色光の一部は上記励起のために吸収される。SAセンタは励起され、その緩和過程で発光されるSA発光を利用することによって白色化を実現している。この白色LEDではZnSe基板の裏面に、金属のn型電極が形成されている。ZnSe基板の青色光の吸収が十分でない場合、青色光の一部はZnSe基板の裏面電極に達する。一方、SA発光は、等方的であり、出射面側にも実装面側にも同じ光量の光が放射されるので、相当量のSA光が裏面電極に達する。
【0022】
ZnSe基板の裏面電極での反射率が100%であれば、裏面電極に光が達しても問題は生じない。しかし、実際には100%の反射率はあり得ず、吸収は避けられない。したがってZnSe裏面電極界面での反射率は白色LEDの発光特性を決める上で重要なファクタである。しかし、今までその反射率は測定されておらず、反射率に関する実際の知見はないに等しい。そこで、ZnSe基板の裏面電極界面での反射率を測定した。裏面電極としてはTi層、In層、それにAl層を用い、以下の結果を得た。
【0023】
(a1) 反射率測定の原理
図1(a)に示す配置で反射率を測定すると、測定される反射率(r1)は、空気/ZnSe界面での反射率(R0)と、ZnSe中での吸収係数(a)と、ZnSe/裏面電極界面での反射率(R1)とを含んだ値になる。したがってr1を測定するだけではR1を決定することはできない。r1の測定に加え、図1(b)の配置、すなわち裏面電極がない状態での反射率(r0)と、透過率(T0)とを測定し、これらの3測定の結果からR0、R1、r1およびaを求めることが可能となる。
【0024】
測定値であるr1、r0、T0と、R0、R1およびaとの間には、多重反射も考慮すると以下の関係がある。
【0025】
r0=R0 + [{A2R0(1−R0)2}/{1−(AR0)2}]
T0={A(1−R0)2}/{1−(AR0)2}
r1=R0 + [{A2R1(1−R0)2}/{1−A2R0R1}]
A=exp(−ad)
ここで、dはZnSe基板の厚みである。これらの関係式を使えば、測定値r1、r0、T0からR0、R1、aを算出することができる。
【0026】
(a2) Ti/Au電極の場合の測定
使用したサンプルは以下の3つのサンプルである。
【0027】
(s1) as−grown PVT基板(Physical Vapor Transport法)
(s2) Al−doped PVT基板
(s3) CVT基板(Chemical Vapor Transport法)
各ウエハを10mm×10mmにへき開後、厚み200μmになるように両面ミラー研磨を施した。サンプル(s2)Al−doped PVTに関しては、Alが存在する領域が残るように各面を研磨した。
【0028】
電極溶着前に上記3つのサンプルの透過率T0および反射率r0を測定した。測定結果を図2および図3に示す。
【0029】
透過率の違いは、ドーピングの有無とドーパントの違いによるものである。ドーピングすると吸収端が長波長側にシフトする。Alよりヨウ素の方がその傾向が顕著である。反射率は長波長側ではあまり変わらないが、吸収端近くになると大きく異なる。しかし、これだけでは吸収の影響が出たのか界面での反射率R0が異なるのかは判断できない。上記の測定結果から、空気/ZnSe界面での反射率R0と吸収係数aを算出した結果を図4および図5に示す。これらの図によれば、R0は各サンプルで大きく異ならない。
【0030】
次に、これらのサンプルの片面にTi/Au薄膜を蒸着した。Tiの膜厚は500Å、Auの膜厚は1000Åとした。ここでTi膜は十分に厚く、入射光は透過しないのでTiの後に蒸着したAuの影響はほとんどないと考えられる。反射率r1の測定結果を図6に示す。
【0031】
この反射率r1からTi/ZnSe界面での反射率R1を算出すると、図7のようになる。図7からわかるように、Ti/ZnSe界面での反射率R1はあまり高くない。裏面電極に対した入射光の多くは吸収され失われてしまう。CVT基板を使用した場合、青色光に対する吸収係数が大きいので(図4参照)、青色光は裏面まで達しない。しかし、青色光が変換されたSA光の一部はやはり裏面に達するので、光の吸収ロスは避けられない。PVT基板を使用した場合、青色光の吸収係数が小さいので、青色光の一部は裏面に達して吸収され失われる。もちろん活性層からの青色光だけでなく、SA光の一部も失われる。
【0032】
(a3) In電極およびAl電極の場合
次に、as−grown PVT基板の片面にInまたはAlを蒸着して反射率r1を測定して、InおよびAlに対する反射率R1を評価する。ここでas−grown PVT基板の吸収係数aと反射率R0としては(a2)において測定した値を使用し、ここで新たに測定はしなかった。
【0033】
測定した反射率r1とそれから見積った(InまたはAl/ZnSe界面)の反射率R1を図8および図9に示す。
【0034】
図8および図9からわかるように、In電極を使用した場合、Ti電極よりはやや反射率は上がるが、大きく向上するわけではない。一方、Al電極を使用すると反射率が大幅に向上することがわかる。したがって裏面電極にAlを使用することにより、発光素子(LED)の輝度を大きく向上させることが可能となる。
【0035】
(a4) まとめ
上記の測定結果をまとめると、(Ti、InまたはAl/ZnSe界面)での反射率を測定し、Ti電極および/またはIn電極を使用した場合、反射率は20%〜30%程度と低いことを確認した。これに対して、Al電極では、反射率は75%程度と大幅に高くなることが判明した。したがって白色LEDの裏面電極として、Ti層やIn層を使用すると、裏面電極での光の吸収ロスが大きくなるが、Al層を使用すればその吸収ロスが大幅に減少することが分かった。この結果、出射面と反対側の実装面の電極にAl層を用いることにより、実装面において光を反射して出射面側に向わせるので、光を無駄にしないで輝度を高めることが可能になる。
【0036】
(実施の形態2)
図10は、本発明の実施の形態2におけるZnSe系発光素子を示す図である。図10において、n型ZnSe単結晶基板1の上に、順次、1μm厚のn型ZnSeバッファ層2、0.5μm厚のn型ZnMgSSeクラッド層3、ZnSe/ZnCdSe多重量子井戸活性層4、0.5μm厚のp型ZnMgSSeクラッド層5、0.2μm厚のp型ZnSe層6、ZnTeとZnSeの積層超格子構造からなるp型コンタクト層7が形成されている。さらにその上に、40nm厚のp型ZnTe層8が形成されている。このようなエピタキシャル構造の上に、Au薄膜10aが形成されている。
【0037】
pn接合での発光は電極からの電流密度が高い位置ほど強く発光するので、電流が活性層中のpn接合全体に行き渡って流れるよう、p型ZnSeエピタキシャル膜の表面を、薄い金(Au)膜が被覆している。金膜の厚さは薄ければ薄いほどよいが、薄くなり過ぎると均一な発光が得られなくなる。
【0038】
n型ZnSe基板1には、n型不純物であるヨウ素、アルミニウム、塩素、臭素、ガリウム、インジウム等を1種類以上ドーピングし、510nm以短の波長の光の照射により550nm〜650nmの範囲に発光波長の中心をもつSA(Self−Activated)発光中心を形成している。なお、以後、ZnSe基板に形成される各層はいずれもエピタキシャル層であるが、エピタキシャル層であることを一々断らない。
【0039】
図10で最も特徴的なことは、n型ZnSe基板の裏面にAl層9aが配置されていることである。Al層9aとn型ZnSe基板1との間には、n型不純物をZnSe基板よりも高濃度で含むn+型ZnSe層19が介在している。n+型ZnSe層19はエピタキシャル膜であることが望ましい。このような高濃度n型ZnSe層19を介在させることにより、Al層9aはn型ZnSe基板1とオーミック接触を実現することが容易となる。Al層9aの上にはAl層の不安定性を保護するためにAu膜9bが被覆される。
【0040】
上記のように、n型ZnSe基板の裏面電極にAl層が配置されたことにより、従来、Ti層やIn層などにより吸収され損失されていた光の大部分を出射面側に反射することができる。このため、ZnSe系発光素子の出力を向上させ、輝度を高めることができる。また、従来、SA発光からの長波長域光は裏面電極に向かうものは吸収ロスとされていたが、その分の大部分が反射されて出射面側に向い有効化される。さらに、活性層からの短波長域光がAl層で反射されて出射面側に向うときSA発光中心は再度励起されて、長波長域の光を発光する。また、その励起に寄与した短波長域光は吸収されロスとなる。このため、相対的に長波長域光の強度が短波長域光の強度に比べて高くなり、寒色の白色光をより完全な白色光に近づけることが可能となる。すなわち、輝度を向上させるだけでなく、白色光の色度の調整をすることができる。
【0041】
(実施例)
実施の形態2のZnSe系発光素子を作製して、Al層を設けた効果を検証した。本発明例は、図10に示すZnSe系発光素子であり、ZnSe基板1の裏面にAl層9aを配置してある。また、Al層9aとZnSe基板1との間にはn+型ZnSe層19を介在させ、Al層9aの上にはAu層9bを積層している。また、比較例として、Al層の代わりにTi層を用いたZnSe系発光素子を作製した。これら本発明例と比較例とについて、輝度および色度を測定した。色度は直上の色度である。結果を表1に示す。
【0042】
【表1】
【0043】
表1によれば、従来のように、Ti/Auからなる電極では、出力は1.83mWが得られた。一方、本発明例では、出力2.72mWとなり、約1.5倍の出力を得ることができた。また、色度(X,Y)は、Ti層を用いた場合、(0.184,0.261)であり、寒色系白色であった。しかし、Al層を用いることにより、(0.208,0.261)となり、暖色成分を増大させる効果が得られた。このようにAl電極を用いることにより、出力向上および色度制御が可能となり、高出力の白色LEDを得ることができる。また、活性層からの光を裏面で反射することにより、出力および色調のばらつきを抑えることができる。
【0044】
(実施の形態3)
図11は、本発明の実施の形態3におけるZnSe系発光素子を示す図である。本実施の形態では、ZnSe基板アップ(p型層ダウン)実装に特徴がある。p型層ダウン実装であるため、活性層の全体にわたって所定以上の電流密度を供給するためp型電極は全面を覆う必要があるが、出射面を構成するn型ZnSe基板の表面全体にわたってTi/Au膜を形成する必要はない。このため、出射面16には、格子状電極12が設けられている。上記の構造のため、Al層の反射作用の効果に加えて、p型層ダウン実装により、出射面を全面被覆するp型電極Ti/Au膜を用いなくてもよく、この分の輝度上昇をさらに得ることが可能になる。
【0045】
図11において、n型ZnSe基板1の上面に接して基板1よりも高濃度にn型不純物を含む高濃度ZnSeエピタキシャル層15が設けられている。この高濃度ZnSeエピタキシャル層15に接してTi/Auからなる格子状電極12が設けられている。この高濃度ZnSeエピタキシャル層15は、Ti/Au格子状電極12がオーミック電極となることが容易となるように設けられている。この高濃度ZnSeエピタキシャル層15は、またこの発光装置における出射面16を形成する。
【0046】
上記のZnSe基板の上には、順に下側に、n型ZnSeバッファ層2と、n型ZnMgSSeクラッド層3と、ZnSe/ZnCdSe多重量子井戸活性層4と、p型ZnMgSSeクラッド層5およびp型ZnTe/ZnSe超格子コンタクト層7とが形成されている。p型ZnTe/ZnSe超格子コンタクト層7の上には、オーミック電極Auを周辺部に格子状に配置し、さらに電流をチップ全面に拡げるためにハニカム状のAu電極を形成する。この電極にAlを全面に蒸着し、ハニカム状の開口部から出射される活性層からの発光を反射させる。なお、ボトム側の電極はオーミック接触をする金属が、(s1)所定の面積被覆率で離散的に全面に配置されるか、または(s2)連続していても所定の開口率の開口部を有しながら全面に配置され、残りの部分をAl層が被覆すればよい。上記実施の形態におけるAu膜の格子状電極とハニカム形状との組み合わせの配置は、上記(s2)の連続していながら、所定の開口率を有する場合に該当する。上記のボトム電極では、オーミック接触する金属(Au)が周縁部に配置され、格子状電極が形成されていたが、ボトム電極の全面に、オーミック接触の金属が離散的に配置されていてもよい。すなわち、(s1)の配置であってもよい。
【0047】
図11の構造によれば、エピアップ構造と異なり、出射面の全面を覆うAu膜はない。このため、出射光がAu電極膜で吸収されることがないので、この分、高輝度にすることができる。さらに、実施の形態2で詳細に説明したように、活性層からの光はp側電極に部分的に設けられたAl層による反射作用を得ることにより、より一層輝度を向上させることができる。また、実施の形態2で説明した理由により、寒色系の白色光における暖色系の光の強度を高め、より完全な白色光に近づけることが可能となる。
【0048】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の形態はあくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むことを意図するものである。
【0049】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子を用い、Al層を出射面と反対側の面の電極に用いることにより、高輝度で、かつSA発光の成分を高めて色度の調整を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における反射率の測定方法の原理図であり、(a)は空気と接する面からの反射を含む反射率r1の測定を示す図であり、(b)は(a)の測定を補完して必要な反射率R1を得るために、反射率r0および透過光T0を測定する方法を示す図である。
【図2】透過光T0の測定結果を示す図である。
【図3】反射率r0の測定結果を示す図である。
【図4】T0とr0との測定結果から算出した吸収係数aを示す図である。
【図5】T0とr0との測定結果から算出した反射率R0を示す図である。
【図6】反射率r1の測定結果を示す図である。
【図7】Ti/ZnSe界面における反射率R1の算出結果を示す図である。
【図8】Al層、In層およびTi層をそれぞれZnSe基板の裏面に有する場合の反射率r1の測定結果を示す図である。
【図9】Al層、In層およびTi層のそれぞれとZnSe層との界面の反射R1の算出結果を示す図である。
【図10】本発明の実施の形態2におけるZnSe系発光素子を示す図である。
【図11】本発明の実施の形態3におけるZnSe系発光素子を示す断面図である。
【図12】従来のZnSe系発光素子を示す図である。
【符号の説明】
1 n型ZnSe基板、2 n型ZnSeバッファ層、3 n型ZnMgSSeクラッド層、4 ZnSe/ZnCdSe多重量子井戸活性層、5 p型ZnMgSSeクラッド層、7 p型ZnTe/ZnSe超格子コンタクト層、8 p型ZnTe層、9a Al層、9b Au層、10 p型電極、10a Au膜、10b 格子状Ti/Au膜、12 n型電極、15 n+型ZnSe層、16 出射面、SA 自己活性中心。
Claims (6)
- 出射面から光を外部に出射する半導体発光素子であって、
自己活性発光中心を含む第1導電型半導体基板と、
前記第1導電型半導体基板の上に形成された活性層と、
前記出射面と反対側の面に位置し、光を前記出射面側に反射するAl層とを備える、半導体発光素子。 - 前記出射面が、前記活性層の上に形成された第2導電型半導体層の側に位置し、前記Al層が前記第1導電型半導体基板に電気的に接続される電極を構成する、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型半導体基板の表面に第1導電型不純物を前記第1導電型半導体基板よりも高濃度に含む高濃度第1導電型半導体層を設け、その高濃度第1導電型半導体層に接して、前記Al層が位置している、請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記出射面が、前記第1導電型半導体基板の側に位置し、前記Al層が前記活性層の上に形成された前記第2導電型半導体層の側に位置する、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記Al層の上に接して、さらにAu層および/またはTi層とAu層との複合層を有する、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型半導体基板が自己活性発光中心を含むn型ZnSe基板であり、前記n型ZnSe基板の上に形成されたpn接合を含む活性層を有する、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体発光素子。
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