JP2004172217A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光強度を向上させ、素子内部で発生する光を効率良く外部に取り出すことができる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】透光性を有する第１導電型コンタクト層２と、発光層である活性層３と、透光性を有する第２導電型コンタクト層４とを順次積層して備えてなり、第１導電型コンタクト層２及び第２導電型コンタクト層４は、各々第１電極６及び第２電極７を表面に備えてなる半導体発光素子であって、第１導電型コンタクト層２の表面は、少なくとも第１電極６を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜１を備え、第２導電型コンタクト層４の表面は、少なくとも第２電極７を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜５を備え、第１電極６及び第２電極７は、各電極６、７が積層方向から見てお互い重ならないように配置される。
【選択図】 図１
【解決手段】透光性を有する第１導電型コンタクト層２と、発光層である活性層３と、透光性を有する第２導電型コンタクト層４とを順次積層して備えてなり、第１導電型コンタクト層２及び第２導電型コンタクト層４は、各々第１電極６及び第２電極７を表面に備えてなる半導体発光素子であって、第１導電型コンタクト層２の表面は、少なくとも第１電極６を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜１を備え、第２導電型コンタクト層４の表面は、少なくとも第２電極７を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜５を備え、第１電極６及び第２電極７は、各電極６、７が積層方向から見てお互い重ならないように配置される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、積層方向（厚み方向）に対向する最外層の各々にバイアスを印加するための電極を有した積層構造の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は、例えば、特許文献１には、炭化珪素等の低抵抗性の支持基板と、酸化チタン膜と、ＧａＮからなるバッファ層と、ｎ型半導体領域と、発光層である活性層と、ｐ型半導体領域とを順に積層して形成した積層体を備え、この積層体の積層方向（厚み方向）に対向する最外層の各々に電極（以降、ｎ型半導体領域側に設けた電極をｎ側電極と称し、支持基板側に設けた電極をｐ側電極と称する。）を設けてなるものを挙げることができる。
【０００３】
上述の半導体発光素子にあっては、積層体の最外層の各々に電極、つまり、ｎ側電極）と、ｐ側電極とが、積層方向に対してはお互いに重なり合わない構成であり、順方向バイアスを印加する（ｐ側電極にプラス電圧を印加する）ことにより、ｐ側電極からｎ側電極に向って電流が流れ、活性層で、ホール（正孔）と電子が結合し発光する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−７７７１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のような従来の半導体発光素子においては、ｎ側電極、ｐ側電極間に順方向バイアスを印加したときに、発光層である活性層中を流れる電流は、活性層中において抵抗が比較的小さくなる領域を主として流れる傾向があるので、ｎ側電極とｐ側電極との間の領域でも、抵抗が低い領域に偏るため、活性層中での均一な発光の実現が困難であるという問題があった。
【０００６】
また、活性層中で発生する光が素子外部に放出される際には、素子を取り囲む空気と、発光素子を構成するｎ型半導体領域やｐ型半導体領域との屈折率が異なるため、両者が接する界面で全反射が起こり、発光層で発生する光が、１００％素子から取り出せない可能性があったり、ｎ側電極やｐ側電極により吸収されるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点を改善するためになされたものであり、発光強度を向上させ、素子内部で発生する光を効率良く外部に取り出すことができる半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体発光素子は、透光性を有する第１導電型コンタクト層２と、発光層である活性層３と、透光性を有する第２導電型コンタクト層４とを順次積層して備えてなり、第１導電型コンタクト層２及び第２導電型コンタクト層４は、各々第１電極６及び第２電極７を表面に備えてなる半導体発光素子であって、第１導電型コンタクト層２の表面は、少なくとも第１電極６を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜１を備え、第２導電型コンタクト層４の表面は、少なくとも第２電極７を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜５を備え、第１電極６及び第２電極７は、各電極６、７が積層方向から見てお互い重ならないように配置されたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の半導体発光素子は、図１、図２にその一例を示すように、請求項１に記載の発明において、第１電極６及び第２電極７は、くし歯形状であり、各電極６、７がお互いに歯合するパターンを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の半導体発光素子は、図３、図４にその一例を示すように、請求項１に記載の発明において、第１電極６を設けた第１導電型コンタクト層４の領域と、第２電極７を設けた第２導電型コンタクト層４の領域とは、各領域が積層方向から見てお互い重ならないように対向したことを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項４に記載の半導体発光素子は、図５、図６にその一例を示すように、請求項１に記載の発明において、第１電極６及び第２電極７は、積層方向から見て、一方の電極が他方の電極を囲むように配置されたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項５に記載の半導体発光素子は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、第１導電型コンタクト層２は、活性層３との界面であり第１電極６の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層８を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項６に記載の半導体発光素子は、図７にその一例を示すように、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、第２導電型コンタクト層４は、活性層３との界面であり第２電極７の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層８を備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図であり、図２は、半導体発光素子を示すＡ−Ａ断面での概略断面図である。なお、図１において、第２薄膜５の図示は簡略のため省略する。
【００１５】
第１実施形態における半導体発光素子は、図１、図２に示すように、透光性つまり光透過性を有する導電性の第１薄膜１と、ｎ型の導電型つまり電気伝導を示す例えばＧａＮ基板である第１導電型コンタクト層２と、発光層である例えば３族窒化物半導体である活性層３と、ｐ型の電気伝導を示すＧａＮ基板である第２導電型コンタクト層４と、透光性を有する導電性の第２薄膜５と、第１導電型コンタクト層２側の表面に設けた第１電極６であるｎ側電極と、第２導電型コンタクト層４側の表面に設けた第２電極７であるｐ側電極とを備え、第１導電型コンタクト層２と、活性層３と、第２導電型コンタクト層４とを順次積層した構成であり、第１導電型コンタクト層２は、半導体発光素子のベースとなる支持基板も兼ねている。
【００１６】
なお、活性層３は、例えば、ＩｎＧａＮからなる半導体で形成されている。また、この活性層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層としている。なお、活性層３は、その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紫外から青色の範囲で所望の色に調整可能に変化させることができる。なお、ｎ型の導電型にするにはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｔｅ等の不純物を適宜注入すればよく、ｐ型の導電型にするにはＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等の不純物を適宜注入すればよい。
【００１７】
ここで、第１導電型コンタクト層２の表面は、少なくとも第１電極６を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜１を備え、第２導電型コンタクト層４の表面は、少なくとも第２電極７を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜５を備え、第１電極６及び第２電極７は、各電極が積層方向（厚み方向）から見てお互い重ならないように配置されている。
【００１８】
なお、第１薄膜１及び第２薄膜５の材料は、透光性を有する導電性材料である、例えばＮｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等であり、第１薄膜１及び第２薄膜５の膜厚は、蒸着やスパッタ等により第１薄膜１及び第２薄膜５が透光性を有するように所望の厚みに膜厚調整される。
【００１９】
ここで、第１電極６及び第２電極７は、材料は、例えばＡｌであり、図１に示すように、平面視において略四角形状をなす棟部電極６１、７１と、この棟部電極６１、７１各々と直交するとともに所定の間隔を有して配設された複数の歯部電極６２、７２とで形成された所望の厚みであるくし歯形状であり、各電極６、７がお互いに歯合するパターンを備えており、第１電極６のくし歯の先端と第２電極７のくし歯の先端との距離は、それぞれ等間隔になるように配置されている。なお、第１電極６及び第２電極７は、そのくし歯の先端部は、その隅角部が面取りされた形状（不図示）であってもよい。なお、第１電極６及び第２電極７の材料は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ等であってもよい。
【００２０】
なお、発光半導体素子の動作は、発光半導体素子に順方向のバイアス、すなわち、ｐ型電極である第２電極７にプラス電圧を加え、ｎ型電極である第１電極６にマイナス電圧を加えることで、活性層３内に多数キャリアである電子と多数キャリアであるホール（正孔）とが注入され、電子とホールとが再結合して消滅するときにエネルギーを放出する。このエネルギーの放出が光となって発光し、青色又は紫外の光が伝播経路を経由して素子の外部に伝わる。
【００２１】
かかる半導体発光素子においては、第１導電型コンタクト層２の表面は、少なくとも第１電極６を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜１を備え、第２導電型コンタクト層４の表面は、少なくとも第２電極７を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜５を備えるので、第１薄膜１及び第２薄膜５が透光性を備えながらも導電性を有していることで、活性層３で発生する光を第１電極６、第２電極７で遮られることなく効率よく取り出すことができて、しかも活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００２２】
また、第１電極６及び第２電極７は、各電極６、７が積層方向から見てお互い重ならないように配置することで、第１電極６と第２電極７とを結ぶ線上近傍に、第１電極６、第２電極７間の活性層３内を経由して電流を流すことができるので、第１電極６、第２電極７直下での発光を抑えて、第１電極６、第２電極７にて吸収される光を低減することにより、素子内部からの外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００２３】
また、第１電極６及び第２電極７をくし歯形状とし、各電極６、７がお互いに歯合するパターンを備えることで、電流経路の抵抗を低くかつ等しくして、発光が始まる動作電圧を低くでき、かつ活性層３内に流れる電流密度は全領域でほぼ一定にすることができるので、第１電極６、第２電極７間の活性層３内を経由して流れる電流が局所的に集中することが防止でき、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００２４】
次に、第１電極６を設けた第１導電型コンタクト層２の領域と、第２電極７を設けた第２導電型コンタクト層４の領域との各領域が積層方向から見てお互い重ならないようにした実施形態を、本発明の第２実施形態として図３及び図４に基づいて説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図であり、図４は、半導体発光素子を示すＢ−Ｂ断面での概略断面図である。なお、第１実施形態との同一箇所には同一符号を付して、共通部分の説明は省略する。
【００２５】
まず、第２実施形態においては、図３、図４に示すように、半導体発光素子は、第１実施形態において、第１電極６及び第２電極７の形状がくし歯形状ではなく、平面視において四角型であり、第１電極６を設けた第１導電型コンタクト層２の領域と、第２電極７を設けた第２導電型コンタクト層４の領域とは、各領域が積層方向から見てお互い重ならない、つまり積層方向から見て対向の位置になるような構成である。なお、第１電極６及び第２電極７の材料は、例えばＡｌであるが、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ等であってもよい。
【００２６】
かかる半導体発光素子においては、第１電極６を設けた第１導電型コンタクト層２の領域と、第２電極７を設けた第２導電型コンタクト層４の領域とが、お互い積層方向から見て重ならないように対向させたことで、第１電極６、第２電極７間の活性層３内を経由して流れる電流を効率的に拡散することができるので、電流が活性層３の特定領域に集中して、動作時に活性層３で発熱するのことを緩和でき、素子の動作温度を下げられるので、素子の信頼性向上と、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００２７】
なお、第２実施形態においては、第１電極６の数及び第２電極７の数は、各々１つずつであったが、各々少なくとも１つ以上であれば、複数個であっても勿論よい。また、第１電極６、第２電極７の平面視における大小関係は、図３、図４に示すように、第１電極６に比べて第２電極７の面積が大きいが、第１電極６と第２電極７との面積が同一であっても、第２電極７に比べて第１電極６の面積が大きくてもよい。また、第１電極６、第２電極７の厚みは、所望の厚みでよい。
【００２８】
次に、他の実施形態を、本発明の第３実施形態として図５及び図６に基づいて説明する。図５は、本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図であり、図６は、半導体発光素子を示すＣ−Ｃ断面での概略断面図である。なお、第１実施形態、第２実施形態との同一箇所には同一符号を付して、共通部分の説明は省略する。
【００２９】
まず、第３実施形態においては、図５、図６に示すように、半導体発光素子は、第２実施形態において、積層方向から見て第１電極６であるｎ側電極を第２電極７であるｐ側電極がその周囲を取り囲むように配置して構成されている。
【００３０】
なお、図５に示すように、例えば、第１電極６は、平面視において円形状であり、第２電極７は、平面視において四角形状から、円形状をくり抜いた形状であり、両電極６、７とも、材料は、例えばＡｌであるが、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ等であってもよい。なお、第１電極６及び第２電極７の厚みは、所望の厚みでよい。
【００３１】
かかる半導体発光素子においては、第１電極６及び第２電極７を、積層方向から見て一方の電極が他方の電極を囲むように配置することで、第１電極６、第２電極７間を結ぶ特定箇所に電界が集中するのを防止できるので、耐静電気性が向上し、しかも第１電極６、第２電極７間の活性層内を経由して流れる電流を広範囲に拡散することができるので、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００３２】
次に、第３実施形態において半導体発光素子内部に透光性の絶縁層８を設けた実施形態を、本発明の第４実施形態として図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第４実施形態に係る半導体発光素子を示すＣ−Ｃ断面（図５参照）での概略断面図である。なお、第３実施形態との同一箇所には同一符号を付して、共通部分の説明は省略する。また、半導体発光素子を示す上面図は、図５と同様であるので図示は省略する。
【００３３】
まず、第４実施形態においては、図７に示すように、半導体発光素子は、第２導電型コンタクト層４内の活性層３との界面であり、積層方向から見て第２電極７の裏面に相当する箇所全面に透光性の絶縁層８である絶縁膜を設けた構成である。
【００３４】
ここで、絶縁層８は、ＳｉＯ２や、ＳｉＮ等の透光性を有するものであり、その厚みは、第２導電型コンタクト層４の厚みより薄くかつ、透光性を損なわない範囲での所望の厚みであればよい。
【００３５】
かかる半導体発光素子においては、第２導電型コンタクト層４内の活性層３との界面であり、積層方向から見て第２電極７の裏面に相当する箇所に透光性の絶縁層８を設けたことで、第２電極７の直下の領域の活性層３に電流が流れることを防止して、第２電極７で遮られる第２電極７直下での発光をなくすとともに、第２電極７の直下の領域の活性層３に電流が集中するのを防止することで、第１電極６、第２電極７間の活性層３内を経由して流れる電流を拡散することができるので、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００３６】
なお、第４実施形態においては、第２導電型コンタクト層４内の活性層との界面に絶縁層８を設けているが、半導体発光素子は、第１導電型コンタクト層２内の活性層３との界面で、積層方向から見て第１電極６の裏面に相当する箇所に、透光性の絶縁層（不図示）である絶縁膜を形成するような構成であってもよい。この場合も、第１導電型コンタクト層２内の活性層３との界面であり、積層方向から見て第１電極６の裏面に相当する箇所に透光性の絶縁層を設けることで、第１電極６の直下の領域の活性層３に電流が流れることを防止して、第１電極６で遮られる第１電極６直下での発光をなくすとともに、第１電極６の直下の領域の活性層３に電流が集中するのを防止することで、第１電極６、第２電極７間の活性層内を経由して流れる電流を拡散することができるので、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００３７】
ここで、第１実施形態乃至第４実施形態においては、第１導電型コンタクト層２及び第２導電型コンタクト層４は、透光性基板としてＧａＮ基板を用いているが、ＳｉＣであってもよい。第１導電型コンタクト層２及び第２導電型コンタクト層４にＧａＮやＳｉＣを用いることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００３８】
【発明の効果】
上記のように本願の請求項１に係る発明の半導体発光素子にあっては、透光性を有する第１導電型コンタクト層と、発光層である活性層と、透光性を有する第２導電型コンタクト層とを順次積層して備えてなり、第１導電型コンタクト層及び第２導電型コンタクト層は、各々第１電極及び第２電極を表面に備えてなる半導体発光素子であって、第１導電型コンタクト層の表面は、少なくとも第１電極を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜を備え、第２導電型コンタクト層の表面は、少なくとも第２電極を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜を備えており、第１薄膜及び第２薄膜が透光性を備えながらも導電性を有していることで、活性層で発生する光を第１電極、第２電極で遮られることなく効率よく取り出すことができて、しかも活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００３９】
また、第１電極及び第２電極は、各電極が積層方向から見てお互い重ならないように配置することで、第１電極と第２電極とを結ぶ線上近傍に、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して電流を流すことができるので、第１電極、第２電極直下での発光を抑えて、第１電極、第２電極にて吸収される光を低減することにより、素子内部からの外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４０】
また、請求項２に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１に記載の発明における効果に加えて、第１電極及び第２電極は、くし歯形状であり、各電極がお互いに歯合するパターンを備えることで、電流経路の抵抗を低くかつ等しくして、発光が始まる動作電圧を低くでき、かつ活性層内に流れる電流密度は全領域でほぼ一定にすることができるので、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流が局所的に集中することが防止でき、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４１】
また、請求項３に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１に記載の発明における効果に加えて、第１電極を設けた第１導電型コンタクト層の領域と、第２電極を設けた第２導電型コンタクト層の領域とは、各領域が積層方向から見てお互い重ならないように対向しているので、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流を効率的に拡散することができるので、電流が活性層の特定領域に集中して、動作時に活性層で発熱するのことを緩和でき、素子の動作温度を下げられるので、素子の信頼性向上と、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４２】
また、請求項４に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１に記載の発明における効果に加えて、第１電極及び第２電極を、積層方向から見て一方の電極が他方の電極を囲むように配置することで、第１電極、第２電極間を結ぶ特定箇所に電界が集中するのを防止できるので、耐静電気性が向上し、しかも第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流を広範囲に拡散することができるので、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４３】
また、請求項５に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明における効果に加えて、第１導電型コンタクト層は、活性層との界面であり第１電極の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層を設けたことで、第１電極の直下の領域の活性層に電流が流れることを防止して、第１電極で遮られる第１電極直下での発光をなくすとともに、第１電極の直下の領域の活性層に電流が集中するのを防止することで、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流を拡散することができるので、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４４】
また、請求項６に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明における効果に加えて、第２導電型コンタクト層は、活性層との界面であり第２電極の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層を設けたことで、第２電極の直下の領域の活性層に電流が流れることを防止して、第２電極で遮られる第２電極直下での発光をなくすとともに、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流を拡散することができるので、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る半導体発光素子を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 第１薄膜
２ 第１導電型コンタクト層
３ 活性層
４ 第２導電型コンタクト層
５ 第２薄膜
６ 第１電極
７ 第２電極
８ 絶縁層
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、積層方向（厚み方向）に対向する最外層の各々にバイアスを印加するための電極を有した積層構造の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は、例えば、特許文献１には、炭化珪素等の低抵抗性の支持基板と、酸化チタン膜と、ＧａＮからなるバッファ層と、ｎ型半導体領域と、発光層である活性層と、ｐ型半導体領域とを順に積層して形成した積層体を備え、この積層体の積層方向（厚み方向）に対向する最外層の各々に電極（以降、ｎ型半導体領域側に設けた電極をｎ側電極と称し、支持基板側に設けた電極をｐ側電極と称する。）を設けてなるものを挙げることができる。
【０００３】
上述の半導体発光素子にあっては、積層体の最外層の各々に電極、つまり、ｎ側電極）と、ｐ側電極とが、積層方向に対してはお互いに重なり合わない構成であり、順方向バイアスを印加する（ｐ側電極にプラス電圧を印加する）ことにより、ｐ側電極からｎ側電極に向って電流が流れ、活性層で、ホール（正孔）と電子が結合し発光する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−７７７１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のような従来の半導体発光素子においては、ｎ側電極、ｐ側電極間に順方向バイアスを印加したときに、発光層である活性層中を流れる電流は、活性層中において抵抗が比較的小さくなる領域を主として流れる傾向があるので、ｎ側電極とｐ側電極との間の領域でも、抵抗が低い領域に偏るため、活性層中での均一な発光の実現が困難であるという問題があった。
【０００６】
また、活性層中で発生する光が素子外部に放出される際には、素子を取り囲む空気と、発光素子を構成するｎ型半導体領域やｐ型半導体領域との屈折率が異なるため、両者が接する界面で全反射が起こり、発光層で発生する光が、１００％素子から取り出せない可能性があったり、ｎ側電極やｐ側電極により吸収されるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点を改善するためになされたものであり、発光強度を向上させ、素子内部で発生する光を効率良く外部に取り出すことができる半導体発光素子を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体発光素子は、透光性を有する第１導電型コンタクト層２と、発光層である活性層３と、透光性を有する第２導電型コンタクト層４とを順次積層して備えてなり、第１導電型コンタクト層２及び第２導電型コンタクト層４は、各々第１電極６及び第２電極７を表面に備えてなる半導体発光素子であって、第１導電型コンタクト層２の表面は、少なくとも第１電極６を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜１を備え、第２導電型コンタクト層４の表面は、少なくとも第２電極７を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜５を備え、第１電極６及び第２電極７は、各電極６、７が積層方向から見てお互い重ならないように配置されたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の半導体発光素子は、図１、図２にその一例を示すように、請求項１に記載の発明において、第１電極６及び第２電極７は、くし歯形状であり、各電極６、７がお互いに歯合するパターンを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の半導体発光素子は、図３、図４にその一例を示すように、請求項１に記載の発明において、第１電極６を設けた第１導電型コンタクト層４の領域と、第２電極７を設けた第２導電型コンタクト層４の領域とは、各領域が積層方向から見てお互い重ならないように対向したことを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項４に記載の半導体発光素子は、図５、図６にその一例を示すように、請求項１に記載の発明において、第１電極６及び第２電極７は、積層方向から見て、一方の電極が他方の電極を囲むように配置されたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項５に記載の半導体発光素子は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、第１導電型コンタクト層２は、活性層３との界面であり第１電極６の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層８を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項６に記載の半導体発光素子は、図７にその一例を示すように、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、第２導電型コンタクト層４は、活性層３との界面であり第２電極７の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層８を備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図であり、図２は、半導体発光素子を示すＡ−Ａ断面での概略断面図である。なお、図１において、第２薄膜５の図示は簡略のため省略する。
【００１５】
第１実施形態における半導体発光素子は、図１、図２に示すように、透光性つまり光透過性を有する導電性の第１薄膜１と、ｎ型の導電型つまり電気伝導を示す例えばＧａＮ基板である第１導電型コンタクト層２と、発光層である例えば３族窒化物半導体である活性層３と、ｐ型の電気伝導を示すＧａＮ基板である第２導電型コンタクト層４と、透光性を有する導電性の第２薄膜５と、第１導電型コンタクト層２側の表面に設けた第１電極６であるｎ側電極と、第２導電型コンタクト層４側の表面に設けた第２電極７であるｐ側電極とを備え、第１導電型コンタクト層２と、活性層３と、第２導電型コンタクト層４とを順次積層した構成であり、第１導電型コンタクト層２は、半導体発光素子のベースとなる支持基板も兼ねている。
【００１６】
なお、活性層３は、例えば、ＩｎＧａＮからなる半導体で形成されている。また、この活性層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層としている。なお、活性層３は、その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紫外から青色の範囲で所望の色に調整可能に変化させることができる。なお、ｎ型の導電型にするにはＳｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｔｅ等の不純物を適宜注入すればよく、ｐ型の導電型にするにはＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等の不純物を適宜注入すればよい。
【００１７】
ここで、第１導電型コンタクト層２の表面は、少なくとも第１電極６を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜１を備え、第２導電型コンタクト層４の表面は、少なくとも第２電極７を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜５を備え、第１電極６及び第２電極７は、各電極が積層方向（厚み方向）から見てお互い重ならないように配置されている。
【００１８】
なお、第１薄膜１及び第２薄膜５の材料は、透光性を有する導電性材料である、例えばＮｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等であり、第１薄膜１及び第２薄膜５の膜厚は、蒸着やスパッタ等により第１薄膜１及び第２薄膜５が透光性を有するように所望の厚みに膜厚調整される。
【００１９】
ここで、第１電極６及び第２電極７は、材料は、例えばＡｌであり、図１に示すように、平面視において略四角形状をなす棟部電極６１、７１と、この棟部電極６１、７１各々と直交するとともに所定の間隔を有して配設された複数の歯部電極６２、７２とで形成された所望の厚みであるくし歯形状であり、各電極６、７がお互いに歯合するパターンを備えており、第１電極６のくし歯の先端と第２電極７のくし歯の先端との距離は、それぞれ等間隔になるように配置されている。なお、第１電極６及び第２電極７は、そのくし歯の先端部は、その隅角部が面取りされた形状（不図示）であってもよい。なお、第１電極６及び第２電極７の材料は、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ等であってもよい。
【００２０】
なお、発光半導体素子の動作は、発光半導体素子に順方向のバイアス、すなわち、ｐ型電極である第２電極７にプラス電圧を加え、ｎ型電極である第１電極６にマイナス電圧を加えることで、活性層３内に多数キャリアである電子と多数キャリアであるホール（正孔）とが注入され、電子とホールとが再結合して消滅するときにエネルギーを放出する。このエネルギーの放出が光となって発光し、青色又は紫外の光が伝播経路を経由して素子の外部に伝わる。
【００２１】
かかる半導体発光素子においては、第１導電型コンタクト層２の表面は、少なくとも第１電極６を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜１を備え、第２導電型コンタクト層４の表面は、少なくとも第２電極７を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜５を備えるので、第１薄膜１及び第２薄膜５が透光性を備えながらも導電性を有していることで、活性層３で発生する光を第１電極６、第２電極７で遮られることなく効率よく取り出すことができて、しかも活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００２２】
また、第１電極６及び第２電極７は、各電極６、７が積層方向から見てお互い重ならないように配置することで、第１電極６と第２電極７とを結ぶ線上近傍に、第１電極６、第２電極７間の活性層３内を経由して電流を流すことができるので、第１電極６、第２電極７直下での発光を抑えて、第１電極６、第２電極７にて吸収される光を低減することにより、素子内部からの外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００２３】
また、第１電極６及び第２電極７をくし歯形状とし、各電極６、７がお互いに歯合するパターンを備えることで、電流経路の抵抗を低くかつ等しくして、発光が始まる動作電圧を低くでき、かつ活性層３内に流れる電流密度は全領域でほぼ一定にすることができるので、第１電極６、第２電極７間の活性層３内を経由して流れる電流が局所的に集中することが防止でき、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００２４】
次に、第１電極６を設けた第１導電型コンタクト層２の領域と、第２電極７を設けた第２導電型コンタクト層４の領域との各領域が積層方向から見てお互い重ならないようにした実施形態を、本発明の第２実施形態として図３及び図４に基づいて説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図であり、図４は、半導体発光素子を示すＢ−Ｂ断面での概略断面図である。なお、第１実施形態との同一箇所には同一符号を付して、共通部分の説明は省略する。
【００２５】
まず、第２実施形態においては、図３、図４に示すように、半導体発光素子は、第１実施形態において、第１電極６及び第２電極７の形状がくし歯形状ではなく、平面視において四角型であり、第１電極６を設けた第１導電型コンタクト層２の領域と、第２電極７を設けた第２導電型コンタクト層４の領域とは、各領域が積層方向から見てお互い重ならない、つまり積層方向から見て対向の位置になるような構成である。なお、第１電極６及び第２電極７の材料は、例えばＡｌであるが、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ等であってもよい。
【００２６】
かかる半導体発光素子においては、第１電極６を設けた第１導電型コンタクト層２の領域と、第２電極７を設けた第２導電型コンタクト層４の領域とが、お互い積層方向から見て重ならないように対向させたことで、第１電極６、第２電極７間の活性層３内を経由して流れる電流を効率的に拡散することができるので、電流が活性層３の特定領域に集中して、動作時に活性層３で発熱するのことを緩和でき、素子の動作温度を下げられるので、素子の信頼性向上と、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００２７】
なお、第２実施形態においては、第１電極６の数及び第２電極７の数は、各々１つずつであったが、各々少なくとも１つ以上であれば、複数個であっても勿論よい。また、第１電極６、第２電極７の平面視における大小関係は、図３、図４に示すように、第１電極６に比べて第２電極７の面積が大きいが、第１電極６と第２電極７との面積が同一であっても、第２電極７に比べて第１電極６の面積が大きくてもよい。また、第１電極６、第２電極７の厚みは、所望の厚みでよい。
【００２８】
次に、他の実施形態を、本発明の第３実施形態として図５及び図６に基づいて説明する。図５は、本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図であり、図６は、半導体発光素子を示すＣ−Ｃ断面での概略断面図である。なお、第１実施形態、第２実施形態との同一箇所には同一符号を付して、共通部分の説明は省略する。
【００２９】
まず、第３実施形態においては、図５、図６に示すように、半導体発光素子は、第２実施形態において、積層方向から見て第１電極６であるｎ側電極を第２電極７であるｐ側電極がその周囲を取り囲むように配置して構成されている。
【００３０】
なお、図５に示すように、例えば、第１電極６は、平面視において円形状であり、第２電極７は、平面視において四角形状から、円形状をくり抜いた形状であり、両電極６、７とも、材料は、例えばＡｌであるが、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ等であってもよい。なお、第１電極６及び第２電極７の厚みは、所望の厚みでよい。
【００３１】
かかる半導体発光素子においては、第１電極６及び第２電極７を、積層方向から見て一方の電極が他方の電極を囲むように配置することで、第１電極６、第２電極７間を結ぶ特定箇所に電界が集中するのを防止できるので、耐静電気性が向上し、しかも第１電極６、第２電極７間の活性層内を経由して流れる電流を広範囲に拡散することができるので、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００３２】
次に、第３実施形態において半導体発光素子内部に透光性の絶縁層８を設けた実施形態を、本発明の第４実施形態として図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第４実施形態に係る半導体発光素子を示すＣ−Ｃ断面（図５参照）での概略断面図である。なお、第３実施形態との同一箇所には同一符号を付して、共通部分の説明は省略する。また、半導体発光素子を示す上面図は、図５と同様であるので図示は省略する。
【００３３】
まず、第４実施形態においては、図７に示すように、半導体発光素子は、第２導電型コンタクト層４内の活性層３との界面であり、積層方向から見て第２電極７の裏面に相当する箇所全面に透光性の絶縁層８である絶縁膜を設けた構成である。
【００３４】
ここで、絶縁層８は、ＳｉＯ２や、ＳｉＮ等の透光性を有するものであり、その厚みは、第２導電型コンタクト層４の厚みより薄くかつ、透光性を損なわない範囲での所望の厚みであればよい。
【００３５】
かかる半導体発光素子においては、第２導電型コンタクト層４内の活性層３との界面であり、積層方向から見て第２電極７の裏面に相当する箇所に透光性の絶縁層８を設けたことで、第２電極７の直下の領域の活性層３に電流が流れることを防止して、第２電極７で遮られる第２電極７直下での発光をなくすとともに、第２電極７の直下の領域の活性層３に電流が集中するのを防止することで、第１電極６、第２電極７間の活性層３内を経由して流れる電流を拡散することができるので、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００３６】
なお、第４実施形態においては、第２導電型コンタクト層４内の活性層との界面に絶縁層８を設けているが、半導体発光素子は、第１導電型コンタクト層２内の活性層３との界面で、積層方向から見て第１電極６の裏面に相当する箇所に、透光性の絶縁層（不図示）である絶縁膜を形成するような構成であってもよい。この場合も、第１導電型コンタクト層２内の活性層３との界面であり、積層方向から見て第１電極６の裏面に相当する箇所に透光性の絶縁層を設けることで、第１電極６の直下の領域の活性層３に電流が流れることを防止して、第１電極６で遮られる第１電極６直下での発光をなくすとともに、第１電極６の直下の領域の活性層３に電流が集中するのを防止することで、第１電極６、第２電極７間の活性層内を経由して流れる電流を拡散することができるので、活性層３内での電流を均一に分布させることができ、活性層３内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００３７】
ここで、第１実施形態乃至第４実施形態においては、第１導電型コンタクト層２及び第２導電型コンタクト層４は、透光性基板としてＧａＮ基板を用いているが、ＳｉＣであってもよい。第１導電型コンタクト層２及び第２導電型コンタクト層４にＧａＮやＳｉＣを用いることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上する。
【００３８】
【発明の効果】
上記のように本願の請求項１に係る発明の半導体発光素子にあっては、透光性を有する第１導電型コンタクト層と、発光層である活性層と、透光性を有する第２導電型コンタクト層とを順次積層して備えてなり、第１導電型コンタクト層及び第２導電型コンタクト層は、各々第１電極及び第２電極を表面に備えてなる半導体発光素子であって、第１導電型コンタクト層の表面は、少なくとも第１電極を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜を備え、第２導電型コンタクト層の表面は、少なくとも第２電極を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜を備えており、第１薄膜及び第２薄膜が透光性を備えながらも導電性を有していることで、活性層で発生する光を第１電極、第２電極で遮られることなく効率よく取り出すことができて、しかも活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００３９】
また、第１電極及び第２電極は、各電極が積層方向から見てお互い重ならないように配置することで、第１電極と第２電極とを結ぶ線上近傍に、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して電流を流すことができるので、第１電極、第２電極直下での発光を抑えて、第１電極、第２電極にて吸収される光を低減することにより、素子内部からの外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４０】
また、請求項２に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１に記載の発明における効果に加えて、第１電極及び第２電極は、くし歯形状であり、各電極がお互いに歯合するパターンを備えることで、電流経路の抵抗を低くかつ等しくして、発光が始まる動作電圧を低くでき、かつ活性層内に流れる電流密度は全領域でほぼ一定にすることができるので、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流が局所的に集中することが防止でき、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４１】
また、請求項３に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１に記載の発明における効果に加えて、第１電極を設けた第１導電型コンタクト層の領域と、第２電極を設けた第２導電型コンタクト層の領域とは、各領域が積層方向から見てお互い重ならないように対向しているので、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流を効率的に拡散することができるので、電流が活性層の特定領域に集中して、動作時に活性層で発熱するのことを緩和でき、素子の動作温度を下げられるので、素子の信頼性向上と、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４２】
また、請求項４に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１に記載の発明における効果に加えて、第１電極及び第２電極を、積層方向から見て一方の電極が他方の電極を囲むように配置することで、第１電極、第２電極間を結ぶ特定箇所に電界が集中するのを防止できるので、耐静電気性が向上し、しかも第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流を広範囲に拡散することができるので、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４３】
また、請求項５に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明における効果に加えて、第１導電型コンタクト層は、活性層との界面であり第１電極の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層を設けたことで、第１電極の直下の領域の活性層に電流が流れることを防止して、第１電極で遮られる第１電極直下での発光をなくすとともに、第１電極の直下の領域の活性層に電流が集中するのを防止することで、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流を拡散することができるので、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【００４４】
また、請求項６に係る発明の半導体発光素子にあっては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明における効果に加えて、第２導電型コンタクト層は、活性層との界面であり第２電極の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層を設けたことで、第２電極の直下の領域の活性層に電流が流れることを防止して、第２電極で遮られる第２電極直下での発光をなくすとともに、第１電極、第２電極間の活性層内を経由して流れる電流を拡散することができるので、活性層内での電流を均一に分布させることができ、活性層内での発光を均一に拡大させ、発光面積を増加させることにより、更に、素子内部からの素子外部への光の取り出し効率が向上し、発光強度が向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子を示す上面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る半導体発光素子を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 第１薄膜
２ 第１導電型コンタクト層
３ 活性層
４ 第２導電型コンタクト層
５ 第２薄膜
６ 第１電極
７ 第２電極
８ 絶縁層
Claims (6)
- 透光性を有する第１導電型コンタクト層と、発光層である活性層と、透光性を有する第２導電型コンタクト層とを順次積層して備えてなり、
前記第１導電型コンタクト層及び前記第２導電型コンタクト層は、各々第１電極及び第２電極を表面に備えてなる半導体発光素子であって、
前記第１導電型コンタクト層の表面は、少なくとも前記第１電極を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第１薄膜を備え、
前記第２導電型コンタクト層の表面は、少なくとも前記第２電極を設けた箇所以外に、透光性を有する導電性の第２薄膜を備え、
前記第１電極及び前記第２電極は、各電極が積層方向から見てお互い重ならないように配置されたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第１電極及び前記第２電極は、くし歯形状であり、各電極がお互いに歯合するパターンを備えた請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記第１電極を設けた前記第１導電型コンタクト層の領域と、前記第２電極を設けた前記第２導電型コンタクト層の領域とは、各領域が積層方向から見てお互い重ならないように対向した請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記第１電極及び前記第２電極は、積層方向から見て、一方の電極が他方の電極を囲むように配置された請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記第１導電型コンタクト層は、前記活性層との界面であり前記第１電極の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層を備えた請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記第２導電型コンタクト層は、前記活性層との界面であり前記第２電極の積層方向裏面側に相当する領域に透光性の絶縁層を備えた請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子。
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