JP2004158546A

JP2004158546A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2004158546A
Application number: JP2002321108A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Takakura; 信之高倉; Kazunari Kuzuhara; 一功葛原; Masaharu Yasuda; 正治安田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】光の半導体発光素子内部での反射や吸収を低減して取り出し効率を向上させることができる半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】支持基板１の一方の面に第１の導電型を有する半導体層２と、発光層３と、第２の導電型を有する半導体層４とを順次積層して備え、第２の導電型を有する半導体層４に第２の電極６を設けるとともに、各半導体層２，３，４の一部を除去して露出させた第１の導電型を有する半導体層２に第１の電極５を設けた半導体発光素子。支持基板１は、その発光波長に対する屈折率が少なくとも２程度あり、そのバンドギャップエネルギーが少なくとも発光層３で発光する光のエネルギー（ｈｃ／λ、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光速、λは発光波長）程度ある材料からなる。
【選択図】図１

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、特に発光層に電圧を印加するための電極をそれぞれ支持基板の同一面側に形成した構造を有する半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体発光素子として、例えば、特開平１１−４０８４８号公報（特許文献１）に提案されているものがあり、これを図３に示す。図３は側面断面図である。このものは、サファイアからなる発光する光に対して透光性を有する支持基板１０１に窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１０２を積層し、次いで、ｎ型の導電型を有するＧａＮ層１０３と、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる発光層１０４と、ｐ型の導電型を有する窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層１０５ａ及びＧａＮ層１０５ｂとを順に積層したダブルへテロ構造をなしている。
【０００３】
このうち、ｎ型の導電型を有するＧａＮ層１０３は、半導体層１０４，１０５ａ，１０５ｂの一部及び除去されたＡｌＧａＮ層１０５ａの直下にあるｎ型の導電型を有するＧａＮ層１０３の表層を除去することにより階段状に形成されており、その露出した部位には、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）からなるｎ電極１０６が形成されている。また、ｐ型の導電型を有するＧａＮ層１０５ｂの上面には、Ｍｇ、Ａｕからなるｐ電極１０７が形成されている。
【０００４】
そして、このｎ電極１０６及びｐ電極１０７にバンプ１０８を形成してリードフレーム（図示せず）と溶着するフリップチップ実装を施すことにより、支持基板１０１側から光を取り出すことができる構造になっている。
【０００５】
したがって、この半導体発光素子によれば、支持基板１０１側から発光する光を取り出すことができ、電極形成側（図３の下方向）から光を取り出す構造と比較してｎ電極１０６及びｐ電極１０７で吸収される光を減少させることができるので、光の取り出し効率を向上することができるのである。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−４０８４８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような半導体発光素子においても、発光する光に対する支持基板１０１の屈折率、すなわち、サファイアの屈折率ｎ_１（ｎ_１＝１．７７）は、バッファ層１０２の屈折率ｎ_２（ｎ_２＝２．５）に対して小さいため、バッファ層１０２と支持基板１０１との界面で臨界角θ（θ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_１／ｎ_２））が小さくなり、全反射される光が増加して光の取り出し効率が制限を受けてしまう。
【０００８】
また、支持基板１０１のバンドギャップエネルギーＥｇが光のエネルギー（ｈｃ／λ、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光速、λは発光波長を表す）以下であるとき、波長λ以下の光は支持基板１０１に吸収されてしまい、光の取り出し効率にさらに影響を及ぼすこととなる。
【０００９】
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、光の内部反射や吸収を低減して取り出し効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の半導体発光素子は、支持基板と、支持基板の一方の面に第１の導電型を有する半導体層と、発光層と、第２の導電型を有する半導体層とを順次積層して備え、第２の導電型を有する半導体層に第２の電極を設けるとともに、第１の導電型を有する半導体層と発光層と第２の導電型を有する半導体層の一部を除去して露出させた第１の導電型を有する半導体層に第１の電極を設けた半導体発光素子において、前記支持基板は、その発光波長に対する屈折率が少なくとも２程度あり、そのバンドギャップエネルギーが少なくとも前記発光層で発光する光のエネルギー（ｈｃ／λ、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光速、λは発光波長）程度ある材料からなることを特徴としている。
【００１１】
この構成により、臨界角θはサファイアからなる支持基板より大きくなり、さらに、第１の導電型を有する半導体層と同等以上の屈折率ｎを有する材料を使用することにより、第１の導電型を有する半導体層と支持基板との界面での全反射は低減するので、半導体発光素子からの光の取り出し効率を向上することができる。また、バンドギャップエネルギーＥｇは発光層で発光する光のエネルギー（ｈｃ／λ）以上としているので、支持基板内部での波長λ以下の光の吸収は減少し、より光の取り出し効率を向上することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明の半導体発光素子は、請求項１記載の構成において、特に、前記支持基板をそのバンドギャップエネルギーが２ｅＶ程度以上であるものとすることにより、６００ｎｍ程度以下の波長の光、すなわち、黄色から紫外領域の光に対する光の吸収を低減できるので、この波長領域の光に対する取り出し効率を向上することができる。
【００１３】
請求項３に係る発明の半導体発光素子は、請求項２記載の構成を満足する前記支持基板として、ＺｎＳｅ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＳｉＣ，ＧａＮのいずれか一つからなるものとしている。
【００１４】
これらの材料は、その屈折率及びバンドギャップエネルギーＥｇがそれぞれ２及び２ｅＶ以上あり、他の半導体素子にも部材として用いられているので、従来の技術を用いた加工方法等を使用することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明の半導体発光素子は、請求項１乃至３記載の構成において、前記支持基板は、その他方の面に凹凸部を設けてなるものとしている。
【００１６】
この構成により、支持基板と半導体発光素子外部との界面における発光層からの光の入射角を変化して臨界角θ以下で入射する光を増加することができるので、光の取り出し効率をさらに向上することができる。
【００１７】
請求項５に係る発明の半導体発光素子は、請求項４記載の構成において、前記支持基板の凹凸部を回折格子とすることにより、支持基板と半導体発光素子外部との界面における発光層からの光の入射角を変化させて臨界角θ以下で入射する光を増加させ、さらに半導体発光素子外部に放射する光の方向をその界面を境にして半導体発光素子外部に集光できるので、光の散乱を低減することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体発光素子を図１に基づいて説明する。図１は半導体発光素子の中央付近を切断した斜視図である。
【００１９】
この半導体発光素子は、支持基板１と、第１の導電型を有する半導体層２と、発光層３と、第２の導電型を有する半導体層４と、第１の電極５と、第２の電極６とを主要構成要素としている。
【００２０】
支持基板１は、半導体発光素子のベースとなるものであり、透光性及び絶縁性を有する、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にて形成されている。このものは、その屈折率ｎが２．２程度であり、従来のサファイアを用いた支持基板１０１と比較して臨界角θを大きく設定している。また、そのバンドギャップエネルギーＥｇは、常温（３００Ｋ）で５．９ｅＶ程度であり、おおよそ近紫外領域の光までを効率よく透過できるように設定している。また、この支持基板１は、後述する第１の導電型を有する半導体層２を積層した側の面とは反対側の面に凹凸部１１を形成している。この凹凸部１１は、側面断面視において、不規則なのこぎり歯状をしており、例えば、支持基板１を粗面加工することにより形成している。
【００２１】
なお、支持基板１は、ＡｌＮに限定されるものではなく、例えば、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、アルミニウムリン（ＡｌＰ）、アルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ＧａＮを用いてもよい。これらの屈折率ｎ及びバンドギャップエネルギーＥｇは、ＺｎＳｅの場合、屈折率ｎが２．６１、バンドギャップエネルギーＥｇが２．７１ｅＶであり、ＡｌＰの場合、屈折率ｎが３．０３、バンドギャップエネルギーＥｇが２．４５ｅＶであり、ＡｌＡｓの場合、屈折率ｎが３．１７、バンドギャップエネルギーＥｇが２．１３ｅＶであり、ＧａＰの場合、屈折率ｎが３．４５、バンドギャップエネルギーＥｇが２．２６ｅＶであり、ＩｎＮの場合、屈折率ｎが２．９０、バンドギャップエネルギーＥｇが２．４０ｅＶであり、ＳｉＣの場合、屈折率ｎが２．６、バンドギャップエネルギーＥｇが２．２〜２．８６ｅＶであり、ＧａＮの場合、屈折率ｎが２．５、バンドギャップエネルギーＥｇが３．３９ｅＶである。また、これらは半導体材料として他の半導体素子にも使用される材料であるので、支持基板１として十分使用することができる。
【００２２】
第１の導電型を有する半導体層２は、支持基板１上に積層してｎ型の導電型を示すように形成している。この第１の導電型を有する半導体層２は、詳しくは、バッファ層２ａとｎ型コンタクト層２ｂとｎ型クラッド層２ｃの３層にて構成している。このうち、バッファ層２ａは、例えば、ＧａＮにて形成しており、支持基板１とｎ型コンタクト層２ｂとの格子不整合を緩和するために設けている。また、ｎ型クラッド層２ｃは、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のような後述する発光層３よりバンドギャップエネルギーが大きい組成のもので形成している。そして、ｎ型コンタクト層２ｂは、例えば、ＧａＮにて形成しており、後述する第１の電極５を直接ｎ型クラッド層２ｃに設けたものと比較して両者の接触界面における接触障壁（ショットキバリア）を小さくし、オーミック接触を実現している。さらに、このｎ型コンタクト層２ｂの一部は、その表層にあるｎ型クラッド層２ｃと発光層３と後述する第２の導電型を有する半導体層４を除去することにより露出している。
【００２３】
発光層３は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる半導体で形成しており、ｎ型クラッド層２ｃ上に積層して単一量子井戸又は多重量子井戸構造をなしている。また、この発光層３は、色純度のよい発光を得るために不純物を注入せずにニュートラルなＩｎＧａＮ層で形成している。
【００２４】
なお、このものは、ＩｎとＧａの組成比を調整したり、ｎ型あるいはｐ型の導電型にすることにより、バンドギャップを変化させて発光波長を変化させることができる。また、ｎ型の導電型にするにはシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）等の不純物を適宜注入すればよく、逆に、ｐ型の導電型にするにはマグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）等の不純物を注入すればよい。
【００２５】
第２の導電型を有する半導体層４は、発光層３上に積層してｐ型の導電型を示すように形成されている。この第２の導電型を有する半導体層４は、詳しくは、ｐ型コンタクト層４ｂとｐ型クラッド層４ａとから構成している。このうち、ｐ型コンタクト層４ｂは、例えば、ＧａＮにて形成しており、後述する第２の電極６を直接ｐ型クラッド層４ａに設けたものと比較して両者の接触界面における接触障壁（ショットキバリア）を小さくし、オーミック接触を実現している。また、ｐ型クラッド層４ａは、例えば、ＡｌＧａＮのような発光層３よりバンドギャップエネルギーが大きい組成のもので形成している。
【００２６】
第１の電極５は、ｎ型コンタクト層２ｂの表面に設けている。このものは、例えば、クロム（Ｃｒ）やタンタル（Ｔａ）やバナジウム（Ｖ）に金（Ａｕ）を積層した２層構造としている。また、その高さは、第１の電極５の上面（図１の上方向）が後述する第２の電極６の上面と略同一平面上にあるよう、すなわち、本実施形態の半導体発光素子をリードフレーム（図示せず）にフリップチップ実装したときに半導体発光素子がリードフレームに対して略水平になるように形成している。
【００２７】
第２の電極６は、ｐ型コンタクト層４ｂの表面に設けている。このものは、例えば、パラジウム（Ｐｄ）やＣｒにＡｕを積層した２層構造としている。また、その高さは、前述したように第２の電極６の上面（図１の上方向）が第１の電極５の上面と略同一平面上にあるよう形成している。
【００２８】
つまり、半導体発光素子がこのような構成である、すなわち、屈折率ｎが２．２程度（支持基板がＡｌＮの場合）であることから、バッファ層２ａから支持基板１へ透過する光の臨界角θが大きくなり、バッファ層２ａと支持基板１との界面へ６２°程度以下の角度を持って入射してきた光は、支持基板１側へ透過するようになる。また、バンドギャップエネルギーＥｇが５．９ｅＶ（支持基板１がＡｌＮの場合）であることから、吸収される光の波長は２００ｎｍ程度以下となる。また、凹凸部１１が不規則なのこぎり波状であることから、発光した光が支持基板１と半導体発光素子外部との界面で一旦全反射されたとしても、半導体発光素子内で複数回の反射を繰り返すうちに臨界角θ以下で入射するようになる。
【００２９】
以上説明した第１の実施形態の半導体発光素子によると、ＡｌＮからなる支持基板１の発光波長に対する屈折率ｎは２程度以上、具体的には２．２程度あり、そのバンドギャップエネルギーＥｇを２ｅＶ程度以上、具体的には５．９ｅＶとして黄色から近紫外領域までの光のエネルギー（ｈｃ／λ）に対して大きくなるようにしているので、臨界角θがサファイアからなる支持基板１より大きくなり、光の取り出し効率は５％程度以上向上することができ、特に、支持基板１の屈折率をバッファ層２ａと同等以上とすることにより、光の取り出し効率は３５％程度以上向上する。また、支持基板１内部での近紫外領域までの光の吸収が低減され、光の取り出し効率をより向上することができる。
【００３０】
また、支持基板１の第１の導電型を有する半導体層２を積層した面とは反対側の面に不規則なのこぎり波状の凹凸部１１を設けているので、支持基板１と半導体発光素子外部との界面における発光層３から発光した光の入射角が変化し、臨界角θ以下で入射する光が増加して光の透過量が増し、半導体発光素子からの光の取り出し効率をさらに向上することができる。
【００３１】
なお、本実施形態に係る半導体発光素子においては、その支持基板１に形成した凹凸部１１を省略することも可能である。ただし、光の取り出し効率は、凹凸部１１を形成したものと比較するとある程度低下する。
【００３２】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る半導体発光素子を図２に基づいて説明する。図２は半導体発光素子の中央付近を切断した斜視図である。
【００３３】
この実施形態の半導体発光素子は、支持基板７の凹凸部７１が第１の実施形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形態のものと実質的に同一であるので、同一部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００３４】
本実施形態の支持基板７は、凹凸部７１を規則的な周期で変化させて回折格子を形成したことが第１の実施形態と異なっている。その形状は、例えば、矩形波状に形成しており、その深さは発光波長の１／４程度、１周期を１μｍ程度としている。また、この凹凸部７１は、フォトリソグラフィー技術を用いて形成している。
【００３５】
つまり、半導体発光素子がこのような構成である、すなわち、凹凸部７１が規則的な周期で変化した回折格子であることから、発光した光が支持基板７と半導体発光素子外部との界面で一旦全反射されたとしても、半導体発光素子内で複数回の反射を繰り返すうちに臨界角θ以下で入射するようになり、さらに、界面から放射される光の屈折角は、支持基板７から半導体発光素子の外部へ向かう鉛直方向に対し９０°以下となるのである。
【００３６】
以上説明した第２の実施形態の半導体発光素子によると、支持基板７の凹凸部７１が回折格子を構成しているので、支持基板７と半導体発光素子外部との界面における発光した光の入射角が変化することにより臨界角θ以下で入射する光が増加して光の透過量が増し、また、支持基板７から放射される光は、凹凸部７１を含む平面を境として半導体発光素子の外部へ向かう方向に発光するので、半導体発光素子からの光の取り出し効率をさらに向上することができる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の半導体発光素子は、支持基板と、支持基板の一方の面に第１の導電型を有する半導体層と、発光層と、第２の導電型を有する半導体層とを順次積層して備え、第２の導電型を有する半導体層に第２の電極を設けるとともに、第１の導電型を有する半導体層と発光層と第２の導電型を有する半導体層の一部を除去して露出させた第１の導電型を有する半導体層に第１の電極を設けた半導体発光素子において、前記支持基板は、その発光波長に対する屈折率が少なくとも２程度あり、そのバンドギャップエネルギーが少なくとも前記発光層で発光する光のエネルギー（ｈｃ／λ、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光速、λは発光波長）程度ある材料からなるものとすることにより、臨界角θを大きくして第１の導電型を有する半導体層と支持基板との界面での全反射を低減し、また、バンドギャップエネルギーＥｇは発光する光のエネルギー（ｈｃ／λ）以上としているので、支持基板内部で吸収される波長λ以下の光も減少して光の取り出し効率を向上することができる。
【００３８】
請求項２に係る発明の半導体発光素子は、請求項１記載の構成において、前記支持基板をそのバンドギャップエネルギーが２ｅＶ程度以上であるものとすることにより、請求項１記載の効果に加え、特に、６００ｎｍ程度以下の波長の光、すなわち、黄色から紫外領域の光に対する光の吸収を低減できるので、この波長領域の光に対する取り出し効率をより向上することができる。
【００３９】
請求項３に係る発明の半導体発光素子は、請求項１又は２記載の構成において、前記支持基板として、ＺｎＳｅ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＳｉＣ，ＧａＮのいずれか一つからなるものとすることにより、請求項１又は２記載の効果に加え、半導体発光素子を製造する際に従来の技術を用いた加工方法等を使用することができる。
【００４０】
請求項４に係る発明の半導体発光素子は、請求項１乃至３記載の構成において、前記支持基板は、その他方の面に凹凸部を設けてなるものとすることにより、請求項１乃至請求項３記載の効果に加え、支持基板と半導体発光素子外部との界面における発光層からの光の入射角を変化させて臨界角θ以下で入射する光を増加することができるので、光の取り出し効率をさらに向上することができる。
【００４１】
請求項５に係る発明の半導体発光素子は、請求項４記載の構成において、前記支持基板の凹凸部を回折格子とすることにより、請求項４記載の効果に加え、半導体発光素子外部に放射する光の方向をその界面を境にして半導体発光素子外部の方向に集光することができるので、光の散乱を低減して光の取り出し効率をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の中央付近を切断した斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の中央付近を切断した斜視図である。
【図３】従来の半導体発光素子の側面断面図である。
【符号の説明】
１支持基板
２第１の導電型を有する半導体層
３発光層
４第２の導電型を有する半導体層
５第１の電極（ｎ電極）
６第２の電極（ｐ電極）
７支持基板

Claims

支持基板と、支持基板の一方の面に第１の導電型を有する半導体層と、発光層と、第２の導電型を有する半導体層とを順次積層して備え、第２の導電型を有する半導体層に第２の電極を設けるとともに、第１の導電型を有する半導体層と発光層と第２の導電型を有する半導体層の一部を除去して露出させた第１の導電型を有する半導体層に第１の電極を設けた半導体発光素子において、
前記支持基板は、その発光波長に対する屈折率が少なくとも２程度あり、そのバンドギャップエネルギーが少なくとも前記発光層で発光する光のエネルギー（ｈｃ／λ、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光速、λは発光波長）程度ある材料からなることを特徴とする半導体発光素子。
前記支持基板は、そのバンドギャップエネルギーが２ｅＶ程度以上である請求項１記載の半導体発光素子。
前記支持基板は、ＺｎＳｅ，ＡｌＰ，ＡｌＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＳｉＣ，ＧａＮのいずれか一つからなる請求項２記載の半導体発光素子。
前記支持基板は、その他方の面に凹凸部を設けてなる請求項１乃至３記載の半導体発光素子。
前記支持基板は、その凹凸部が回折格子を構成してなる請求項４記載の半導体発光素子。