JP2004111648A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電極形成部での遮光による発光効率の低下と、大電流駆動の際の電流集中による発光効率の低下の双方を防止する。
【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板２０２上に、順次、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０４、活性層２０６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０が電流狭窄メサ構造に積層される。ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０上の周縁部にはリング状の周縁電極部２１５が形成されており、その内側が光出射面ｗを構成する。また、光出射面ｗ上には周縁電極部２１５と共通のアノードである中心電極部２２０（ＡｕＢｅ）が形成されている。周縁電極部２１５のＡｕＢｅコンタクト電極２１４は直接ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０と接触するが、中心電極部２２０は高濃度のｐ型不純物を含むｐ−ＧａＡｓコンタクト層２２２を介してｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０と電気的に接合される。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光効率の優れた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に従来の半導体発光素子の例（第１従来例）の断面構成を示す。この例では、アノードとして機能するＡｕＢｅコンタクト電極１１８及びＣｒＡｕ合金ボンディング電極１１６が電流狭窄メサ構造の最上層周縁部に形成されており、アノード形成部で囲まれた領域ｗが光出射面を構成する。アノード形成部は、発光に必要な電流を通電させるために一定の大きさを持つ必要があり、電流狭窄メサ構造表面の相当面積を占めることになる。アノードから供給された電流は、順次、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１２、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層１１０、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０８、活性層１０６、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４、ｎ−ＧａＡｓ基板１０２を介して、カソード１１７に流れ出る。
【０００３】
また、半導体発光素子の別の従来例として、例えば特開平８−３４０１３２の面発光ダイオード（第２従来例）及び特開平１０−２５６６０２の半導体発光素子（第３従来例）が挙げられる。第２従来例の面発光ダイオードでは、電流狭窄メサ構造の最上層に同心円をなすように複数のリング状電極が形成されている。
【０００４】
第３従来例の半導体発光素子のシート電極は、膜厚を極めて薄くした光透過性金属膜の上に、実際に電流を供給するアルミ電極がメッシュ状に形成されたものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３４０１３２号公報
【０００６】
【特許文献２】特開平１０−２５６６０２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体発光素子には次のような問題点があった。すなわち、第１従来例の半導体発光素子では、アノードが電流狭窄メサ構造の最上層周縁部に配置されているので、電流狭窄メサ構造の中心部から外側に向かって電流密度が高くなる。そのため、活性層１０６において発生する光が電流狭窄メサ構造の外側、すなわちアノードとｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１２との接合面の下部で強くなる。その結果、発生した光の多くがアノード形成部で遮光されることになり、発光効率が低下する。
【０００８】
第２従来例の面発光ダイオードでも、第１従来例と比べると電流狭窄メサ構造の中心部における電流密度が高くなるが、外側にも大きい電流が流れるので、発生した光の多くが周縁部に位置する電極形成部で遮光されることになる。
【０００９】
第３従来例では、光出射面（シート電極）の下部で集中的に光が発生することになるが、電流路が狭くなるので大電流駆動の際に発熱で発光効率が低下することになる。
【００１０】
そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電極形成部での遮光による発光効率の低下と、大電流駆動の際の電流集中による発光効率の低下の双方を防止できる半導体光発光素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体発光素子は、第１導電型半導体層が裏側に形成され、かつ第１導電型半導体層とＰＮ接合を形成する第２導電型半導体層が表側に形成された半導体積層部と、半導体積層部の表側に形成されると共に第２導電型半導体と電気的に接合された表側電極と、半導体積層部の裏側に形成されると共に第１導電型半導体と電気的に接合された裏側電極とを備え、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間で発生した光が、第２導電型半導体層を介して、半導体積層部の表側から外部に取り出される半導体発光素子であって、表側電極は、第２導電型半導体層の周縁部に環状に形成されると共に光を外部に出射させる光出射面の縁を構成する周縁電極部と、光出射面上に位置する中心電極部とを含んで構成され、周縁電極部と裏側電極とを通る電流路の抵抗が、中心電極部と裏側電極とを通る電流路の抵抗よりも高いことを特徴とする。
【００１２】
中心電極部と裏側電極とを通る電流路の抵抗が相対的に低いので、光出射面の下部における電流密度が高くなる。そのため、発生した光の多くが周縁電極部（電極形成部）で遮光されることなく光出射面から外部に出射することができる。また、大電流駆動の際には相対的に高抵抗の周縁電極部と裏側電極とを通る電流路にも分散して電流が流れるので、電流集中による発光効率の低下も防ぐことができる。
【００１３】
本発明の半導体発光素子は、周縁電極部は第２導電型半導体層と直接接触しており、中心電極部と第２導電型半導体層との間には、第２導電型半導体層と同じ導電型の不純物をより高濃度に含むオーミックコンタクト層が介在することが好適である。
【００１４】
また本発明の半導体発光素子は、第２導電型半導体層における中心電極部との接触部近傍に、第２導電型半導体層と同じ導電型の不純物が他の部分よりも高濃度に注入された高濃度キャリア注入領域が形成されていることが好適である。
【００１５】
中心電極部との接触部近傍における半導体層のキャリア濃度が高くなるので、空乏層が薄くなる。そのため、中心電極部と裏側電極とを通る電流路の抵抗が相対的に低くなるように容易に設計することができる。
【００１６】
本発明の半導体発光素子は、第２導電型半導体層における周縁電極部との接触部近傍に、プロトンが注入されたプロトン注入領域が形成されていることが好適である。
【００１７】
プロトン注入により、周縁電極部との接触部近傍における半導体層の不純物が不活性となり、キャリア濃度が低下することにより抵抗が高くなる。そのため、中心電極部と裏側電極とを通る電流路の抵抗が相対的に低くなるように容易に設計することができる。
【００１８】
本発明の半導体発光素子は、周縁電極部を構成する金属材料と第２導電型半導体層とのショットキー障壁が、中心電極部を構成する金属材料と第２導電型半導体層とのショットキー障壁よりも高いことが好適である。
【００１９】
周縁電極部を構成する金属材料と第２導電型半導体層とのショットキー障壁（金属材料の仕事関数と第２導電型半導体層の電気親和力との差）が、中心電極部を構成する金属材料と第２導電型半導体層とのショットキー障壁よりも高いので、中心電極部との界面における第２導電型半導体層の空乏層は相対的に薄くなる。かかる金属材料を周縁電極部及び中心電極部の構成物質として選択することにより、中心電極部と裏側電極とを通る電流路の抵抗が相対的に低くなるように容易に設計することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の半導体発光素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
（第１実施形態）
第１実施形態の半導体発光素子２の構造を説明する。図２は、半導体発光素子２の光出射面ｗの正面図である。なお、図２は、第２、第３及び第４実施形態の半導体発光素子の光出射面ｗの正面図でもある。光出射面ｗは、リング状の周縁電極部２１５によって囲まれており、光出射面ｗ上に中心電極部２２０が形成されている。中心電極部２２０は、周縁電極部２１５よりも径の小さい同心円をなすリング状部と、リング状部から周縁電極部２１５に放射状に延びる複数の直線部とにより構成される。周縁電極部２１５と中心電極部２２０により構成される表側電極（アノード）は、光発生部に十分な電流を供給するために相応の大きさである必要があるが、発生した光を効率良く光出射面ｗから外部に出射させるためには、光出射面ｗ上の中心電極部２２０の幅を狭くし、周縁電極部２１５の幅を太くするのが望ましい。
【００２２】
図３は、図２に示す半導体発光素子２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。半導体発光素子２は、ｎ−ＧａＡｓ基板２０２上に化合物半導体層が形成されている。具体的には、ｎ−ＧａＡｓ基板２０２上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０４、活性層２０６、ｐ型の不純物を含むｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８、ｐ型の不純物を含むｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０が、順次、形成される。ｎ−ＧａＡｓ基板２０２及びｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０４が第１導電型半導体層を構成し、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０８及びｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０が第２導電型半導体層を構成する。かかる化合物半導体層はアノード電極及びカソード電極が形成された後、エッチングによりメサ状に成形される。
【００２３】
ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０上には、周縁部にリング状のＡｕＢｅコンタクト電極２１４が形成され、その外側にＳｉＮ絶縁膜２１２が形成されている。ＡｕＢｅコンタクト電極２１４及びＳｉＮ絶縁膜２１２の上にＣｒＡｕ合金ボンディング電極２１６が形成されている。ＡｕＢｅコンタクト電極２１４及びＣｒＡｕ合金ボンディング電極２１６が周縁電極部２１５を構成する。前述のとおり、周縁電極部２１５の内側は、活性層２０６で発生した光を外部に出射させる光出射面ｗとなっている。
【００２４】
ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０上の光出射面ｗに相当する領域に、上述の中心電極部２２０のパターンに従って、高濃度のｐ型不純物を含むｐ−ＧａＡｓコンタクト層２２２が形成されている。さらに、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２２２の上に、ＡｕＢｅの中心電極部２２０が形成されている。中心電極部２２０は、直線部の端においてＡｕＢｅコンタクト電極２１４の内側側面と接触しており、周縁電極部２１５と中心電極部２２０は共通のアノードとして機能する。
【００２５】
以上のように周縁電極部２１５及び中心電極部２２０が形成されたｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０上の光出射面ｗに相当する領域は、反射防止手段として機能するＳｉＮ反射防止膜２１８で覆われている。
【００２６】
ｎ−ＧａＡｓ基板２０２の裏面中心部には、カソード２１７が形成されている。ＣｒＡｕ合金ボンディング電極２１６及びカソード２１７は、電源（図示せず）と接続されている。
【００２７】
【００２８】
電源を駆動させ、低電圧を印加すると、ＡｕＢｅコンタクト電極２１４とｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０との界面における空乏層が更に拡大し、電流を遮断する。他方、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０はキャリア（正孔）濃度が高いので、中心電極部２２０との界面のおける空乏層は薄く、大きい電流が流れる。そのため、化合物半導体積層部（電流狭窄メサ）における電流は、内側の電流密度が高く、外側の電流密度が低い分布となる。活性層２０６で発生する光の分布も内側で強く、外側で弱くなる。その結果、活性層２０６で発生した光の多くが、周縁電極部２１５で遮光されることなく光出射面ｗから外部に出射する。また、周縁電極部２１５に加えて中心電極部２２０を設けることによって周縁電極部２１５の幅を狭めることができ、その結果光出射面ｗの面積が広くなるという効果もある。
【００２９】
電源の印加電圧を高くすると、ＡｕＢｅコンタクト電極２１４とｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０との界面における電流が大きくなり、周縁電極部２１５とカソード２１７を通る電流路にも大きい電流が流れるようになる。そのため、半導体発光素子２に大きい電流を流したときでも、化合物半導体積層部（電流狭窄メサ）の中心部における電流集中によって発光効率が低下するのを防ぐことができる。
【００３０】
周縁電極部と半導体層との接触面積を小さくすると共に中心電極部と半導体層との接触面積を大きくすることにより、所望の電流密度を達成することも考えられるが、この場合大きな中心電極部が光出射面から出射する光を遮光してしまうおそれがある。そのため、本実施形態のように接触面積の調整以外の方法で所望の電流密度を得るのが望ましい。
【００３１】
（第２実施形態）
第２実施形態の半導体発光素子３の構造を説明する。図４は、半導体発光素子３の断面図である。なお、図４における断面線は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に対応する。半導体発光素子３においては、中心電極部２２０が、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２２２を介さず、直接ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０と接触している。他方、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０における中心電極部２２０との接合部には、他の部分よりも高濃度のｐ型不純物が注入された高濃度キャリア注入領域２３０が形成されている。その他の点では、半導体発光素子３の構造は、第１実施形態の半導体発光素子２の構造と同じである。
【００３２】
半導体発光素子３でも、半導体発光素子２と同様、中心電極部２２０が、キャリア（正孔）濃度の高い半導体を介して、通常のキャリア（正孔）濃度の領域（ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０における高濃度キャリア注入領域２３０以外の領域）に電気的に接合されている。そのため、半導体発光素子２と同じ作用・効果を有する。
【００３３】
（第３実施形態）
第３実施形態の半導体発光素子４の構造を説明する。図５は、半導体発光素子４の断面図である。なお、図５における断面線は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に対応する。半導体発光素子４においては、中心電極部２２０が、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２２２を介さず、直接ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０と接触している。他方、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０における周縁電極部２１５との接合部には、プロトン（Ｈ^＋）が注入されたプロトン注入領域２４０が形成されている。プロトン注入領域２４０ではプロトン注入によりＡｌＧａＡｓ結晶の欠陥が多くなり、電気抵抗が高くなる。ここでプロトン注入領域２４０のプロトン濃度は、周縁電極部２１５とｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０との間の抵抗が、中心電極部２２０とｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０との界面に逆方向電圧が印加されたときの抵抗よりも高くなるように、調整されている。その他の点では、半導体発光素子４の構造は、第１実施形態の半導体発光素子２の構造と同じである。
【００３４】
次に、半導体発光素子４の作用・効果を説明する。半導体発光素子４では、中心電極部２２０との界面における半導体層のキャリア（正孔）濃度が高くないので厚い空乏層が生じ、中心電極部２２０（アノード）からｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０へ流れる電流が妨げられる。しかし、周縁電極部２１５からｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０へ流れる電流も、プロトン注入領域２４０におけるより高い電気抵抗で妨げられる。そこで、半導体発光素子４の化合物半導体積層部（電流狭窄メサ）における電流も、内側の電流密度が高く、外側の電流密度が低い分布となる。そのため、半導体発光素子２と同様の作用・効果を有する。
【００３５】
（第４実施形態）
第４実施形態の半導体発光素子５の構造を説明する。図６は、半導体発光素子５の断面図である。なお、図６における断面線は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に対応する。半導体発光素子５においては、中心電極部２２０が、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２２２を介さず、直接ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層２１０と接触している。他方、半導体発光素子２の周縁電極部２１５では、ＡｕＢｅコンタクト電極２１４に代えてＣｒＡｕ合金製のコンタクト電極２５０が用いられている。その他の点では、半導体発光素子５の構造は、第１実施形態の半導体発光素子２の構造と同じである。
【００３６】
次に、半導体発光素子５の作用・効果を説明する。ＣｒＡｕ合金と化合物半導体ＡｌＧａＡｓとのショットキー障壁は、ＡｕＢｅと化合物半導体ＡｌＧａＡｓとのショットキー障壁よりも高く、周縁電極部２１５を通る電流路の電気抵抗が相対的に大きくなる。そこで、半導体発光素子５の化合物半導体積層部（電流狭窄メサ）における電流も、内側の電流密度が高く、外側の電流密度が低い分布となる。そのため、半導体発光素子２と同様の作用・効果を有する。
【００３７】
なお、本実施形態において適用される周縁電極部２１５、中心電極部２２０の金属材料の選択は、ＣｒＡｕ合金、ＡｕＢｅに限定されるものではなく、接触する半導体とのショットキー障壁の異なる２つの金属を適宜選択することができる。
【００３８】
本発明の半導体発光素子における表側電極のパターンとしては、図１に示すもの以外に様々な実施形態が考えられる。図７は、実施形態として考えられる表側電極のパターンを示す図である。
【００３９】
電極パターンの第１変形例を図７Ａに示す。第１変形例は、中心電極部２２０のリング状部がない点で図１に示す電極パターンと異なる。
【００４０】
電極パターンの第２変形例を図７Ｂに示す。第２変形例では、中心電極部２２０は、周縁電極部２１５のリング状部よりも径の小さい同心円をなすリング状部と、各端部が周縁電極部２１５のリング状部に繋がる十字形をなす十字形部とにより構成される。また、周縁電極部２１５においては、光出射面ｗの中心点の方向にリング状部から４本の線状の電極が突き出ている。
【００４１】
電極パターンの第３変形例を図７Ｃに示す。第３変形例では、中心電極部２２０は、周縁電極部２１５のリング状部よりも径の小さい同心円をなすリング状部のみによって構成されている。また、周縁電極部２１５においては、リング状部から中心電極部２２０に繋がる８本の線状の電極が延びている。
【００４２】
電極パターンの第４変形例を図７Ｄに示す。第４変形例では、周縁電極部２１５は、リング状部と、リング状部から光出射面ｗの中心点の方向に突き出た８本の線状部とにより構成される。中心電極部２２０は、周縁電極部２１５のリング状部よりも径の小さい同心円をなすリング状部のみによって構成されている。表側電極部は、さらに周縁電極部２１５と中心電極部２２０とを接続する中間電極部２６０を備える。中間電極部２６０は、周縁電極部２１５のリング状部よりも径が小さくかつ中心電極部２２０よりも径が大きい同心円をなすリング状部と、周縁電極部２１５の線状部から中心電極部２２０に延びる線状部とにより構成されている。
【００４３】
電極パターンの第５変形例を図７Ｅに示す。第５変形例では、周縁電極部２１５が２重のリング状部を備える。また、周縁電極部２１５では、８本の線状部が、外側のリング状部から内側のリング状部へ延び、さらに内側のリング状部から突き出ている。その他の点では、第５変形例の電極パターンは、第４変形例の電極パターンと同じである。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子によれば、電極形成部での遮光による発光効率の低下と、大電流駆動の際の電流集中による発光効率の低下の双方を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体発光素子の例（第１従来例）の断面構成図である。
【図２】半導体発光素子２の光出射面ｗの正面図である。
【図３】図２に示す半導体発光素子２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】半導体発光素子３の断面図である。
【図５】半導体発光素子４の断面図である。
【図６】半導体発光素子５の断面図である。
【図７】実施形態として考えられる表側電極のパターンを示す図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、５…半導体発光素子、１０２、２０２…ｎ−ＧａＡｓ基板、１０４、２０４…ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１０６、２０６…活性層、１０８、２０８…ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１１０、２１０…ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流拡散層、１１２…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１１４…ＳｉＮ絶縁膜、１１６…ＡｕＢｅコンタクト電極、１１７、２１７…カソード、１１８…ＣｒＡｕ合金ボンディング電極、１２０…ＳｉＮ反射防止膜、２１２…ＳｉＮ絶縁膜、２１４…ＡｕＢｅコンタクト電極、２１５…周縁電極部、２１６…ＣｒＡｕ合金ボンディング電極、２１８…ＳｉＮ反射防止膜、２２０…中心電極部、２２２…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、２３０…高濃度キャリア注入領域、２４０…プロトン注入領域、２５０…ＣｒＡｕ合金コンタクト電極、２６０…中間電極部。

Claims (5)

1. 第１導電型半導体層が裏側に形成され、かつ前記第１導電型半導体層とＰＮ接合を形成する第２導電型半導体層が表側に形成された半導体積層部と、前記半導体積層部の表側に形成されると共に前記第２導電型半導体と電気的に接合された表側電極と、前記半導体積層部の裏側に形成されると共に前記第１導電型半導体と電気的に接合された裏側電極とを備え、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間で発生した光が、前記第２導電型半導体層を介して、前記半導体積層部の表側から外部に取り出される半導体発光素子であって、
   前記表側電極は、前記第２導電型半導体層の周縁部に環状に形成されると共に前記光を外部に出射させる光出射面の縁を構成する周縁電極部と、前記光出射面上に位置する中心電極部とを含んで構成され、
   前記周縁電極部と前記裏側電極とを通る電流路の抵抗が、前記中心電極部と前記裏側電極とを通る電流路の抵抗よりも高い
   ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記周縁電極部は前記第２導電型半導体層と直接接触しており、
   前記中心電極部と前記第２導電型半導体層との間には、前記第２導電型半導体層と同じ導電型の不純物をより高濃度に含むオーミックコンタクト層が介在する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２導電型半導体層における前記中心電極部との接触部近傍に、前記第２導電型半導体層と同じ導電型の不純物が他の部分よりも高濃度に注入された高濃度キャリア注入領域が形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記第２導電型半導体層における前記周縁電極部との接触部近傍に、プロトンが注入されたプロトン注入領域が形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
5. 前記周縁電極部を構成する金属材料と前記第２導電型半導体層とのショットキー障壁が、前記中心電極部を構成する金属材料と前記第２導電型半導体層とのショットキー障壁よりも高い
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。

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