JP2005244201A - Semiconductor luminous element and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば各種表示器、液晶ディスプレイ用バックライト及び固体照明用光源等として用いることのできる発光ダイオード(以下、LEDと記す)を代表とする半導体発光素子に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device represented by a light emitting diode (hereinafter referred to as LED) that can be used as, for example, various displays, a backlight for a liquid crystal display, a light source for solid state illumination, and the like.
近年、LEDの高性能化が進み、応用分野が急速に広がりつつある。とりわけ、窒化ガリウム(以下、GaNと記す)を代表とする窒化物系化合物半導体の登場により、紫外域から可視域全体をカバーするLEDが実現できるようになり、LEDは、単純な表示灯のみならず、蛍光灯や白熱電灯に代わる照明用光源としても注目を浴びるに至っている。 In recent years, the performance of LEDs has been improved, and application fields are rapidly expanding. In particular, with the advent of nitride-based compound semiconductors typified by gallium nitride (hereinafter referred to as GaN), LEDs that cover the entire visible range from the ultraviolet range can be realized. In addition, it has been attracting attention as an illumination light source to replace fluorescent lamps and incandescent lamps.
現在のLEDの大きな課題の1つに光取り出し効率の向上がある。その理由は、表面上に多層構造が形成された半導体ウェハよりなる基板をダイシングによりほぼ直方体のチップ形状に切り出すことによって作製された単純なLEDチップにおいては、活性層から発せられた光の大部分が半導体と空気又は樹脂との界面で全反射を起こしてLEDチップ内に閉じ込められるため、ごく一部の光しか取り出すことができないためである。通常、このような単純なLED構造では、光取り出し効率、つまり活性層で発生した光のうちLEDチップの外部に取り出すことができる光の割合は20%程度にとどまるとされている。 One of the major challenges of current LEDs is the improvement of light extraction efficiency. The reason is that in a simple LED chip produced by cutting a substrate made of a semiconductor wafer having a multilayer structure on the surface into a substantially rectangular chip shape by dicing, most of the light emitted from the active layer This is because total reflection occurs at the interface between the semiconductor and air or resin and the light is trapped in the LED chip, so that only a part of the light can be extracted. Usually, in such a simple LED structure, the light extraction efficiency, that is, the ratio of the light that can be extracted outside the LED chip out of the light generated in the active layer is supposed to be about 20%.
このため、LEDの光取り出し面を加工して光取り出し効率を高める様々な取り組みが行なわれている。この光取り出し面の加工に関しては、例えば、特許文献1又は非特許文献1に記載されているような加工がある。
For this reason, various efforts have been made to improve the light extraction efficiency by processing the light extraction surface of the LED. Regarding processing of this light extraction surface, for example, there is processing as described in
図14は、光取り出し面を加工することにより光取り出し効率を向上させた従来のLEDの断面構造を示している。図14に示すように、サファイア基板101の上にはn型GaN層102、InGaN多重量子井戸活性層103、p型AlGaN障壁層104及びp型GaNコンタクト層105が順次形成されている。ここで、p型GaNコンタクト層105の表面には、リソグラフィー技術及びドライエッチング技術により規則的な凹凸が設けられている。また、p型GaNコンタクト層105の上にはp側オーミック電極106が透明電極107を介して設けられている。尚、前述の各半導体層の積層構造のうちn側オーミック電極形成領域はn型GaN層102が露出するようにエッチングにより除去されており、該n型GaN層102の露出面の上にn側オーミック電極108が形成されている。
FIG. 14 shows a cross-sectional structure of a conventional LED in which the light extraction efficiency is improved by processing the light extraction surface. As shown in FIG. 14, an n-
図14に示す従来のLEDによると、活性層103から発せられた光が、光取り出し面となるGaNコンタクト層105の表面で全反射することを抑止でき、それによって光取り出し効率を約2倍に高めることができる。
しかしながら、前述のような従来の技術においては、光取り出し面に規則的な凹凸が形成されるため、LEDチップから放射される光の放射パターンが回折光同士の干渉により特定の方位で強くなってしまうという実用上の問題があった。また、光取り出し面となるp型GaN層に凹凸を形成するためにドライエッチングを使用するため、該p型GaN層がダメージを受け、その結果、該p型GaN層上でのオーミック電極の形成が困難になるという問題や該p型GaN層に生じた深い準位に光が吸収されるという問題があった。 However, in the conventional technology as described above, regular irregularities are formed on the light extraction surface, so that the radiation pattern of light emitted from the LED chip becomes stronger in a specific direction due to interference between diffracted lights. There was a problem of practical use. Further, since dry etching is used to form irregularities in the p-type GaN layer that becomes the light extraction surface, the p-type GaN layer is damaged, and as a result, an ohmic electrode is formed on the p-type GaN layer. There is a problem that the light is absorbed and light is absorbed in a deep level generated in the p-type GaN layer.
また、活性層からの発光波長が短波長になると、p型GaN層での光吸収が無視できなくなるため、この層を、GaNよりもバンドギャップエネルギーの大きいAlGaN等の材料を用いて形成する必要が生じてくる。しかし、その場合に前述の従来の技術を用いると、バンドギャップエネルギーの大きい材料は一般に結合が強く硬いため、凹凸を形成するためのエッチングが困難になるという問題がある。また、バンドギャップエネルギーの大きい材料よりなる層の上では、オーミック電極の形成が更に困難になるという問題がある。 In addition, when the emission wavelength from the active layer becomes short, light absorption in the p-type GaN layer cannot be ignored. Therefore, it is necessary to form this layer using a material such as AlGaN having a larger band gap energy than GaN. Will arise. However, in this case, when the above-described conventional technique is used, a material having a large band gap energy generally has a strong bond and is hard, so that there is a problem that etching for forming unevenness becomes difficult. In addition, there is a problem that it becomes more difficult to form an ohmic electrode on a layer made of a material having a large band gap energy.
さらに、前述の従来の技術においては、光取り出し面に短ピッチの凹凸を形成するために微細リソグラフィー技術を用いる必要があるので、歩留りが悪くなるという問題もあった。 Further, the above-described conventional technique has a problem in that the yield is deteriorated because it is necessary to use a fine lithography technique in order to form irregularities with a short pitch on the light extraction surface.
前記に鑑み、本発明は、微細リソグラフィー技術やドライエッチング技術を用いることなく、光取り出し効率が高く且つ放射パターンが良好な半導体発光素子を提供できるようにすることを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having high light extraction efficiency and a good radiation pattern without using a fine lithography technique or a dry etching technique.
前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体発光素子は、活性層を含む複数の半導体層が積層されてなる半導体発光素子において、複数の半導体層のうち活性層からの光を取り出すための光取り出し面となる表面を持つ半導体層における少なくとも一部分が多孔質化されている。 In order to achieve the above object, a semiconductor light-emitting device according to the present invention is a semiconductor light-emitting device in which a plurality of semiconductor layers including an active layer are stacked, in order to extract light from the active layer among the plurality of semiconductor layers. At least a part of the semiconductor layer having a surface serving as a light extraction surface is made porous.
尚、本願において、多孔質化されているとは、ポーラスであること、つまり様々な形状を持つ多数の微細孔(空隙)が不規則に存在していることを意味する。 In the present application, being porous means porous, that is, a large number of micropores (voids) having various shapes are present irregularly.
本発明の半導体発光素子によると、光取り出し面となる表面を持つ半導体層に多数の空隙が不規則に形成されているので、活性層から発せられた光が、光取り出し面となる半導体層表面で全反射することを抑止でき、それによって光取り出し効率を向上させることができる。また、多孔質化によって多数の空隙が不規則に形成されるため、素子から放射される光の放射パターンにおいて回折光同士の干渉により特異な放射パターンが生じてしまう事態も回避できる。従って、光取り出し効率が高く且つ放射パターンが良好な半導体発光素子を実現することができる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, since a large number of voids are irregularly formed in the semiconductor layer having the surface serving as the light extraction surface, the light emitted from the active layer is the surface of the semiconductor layer serving as the light extraction surface. Therefore, it is possible to suppress the total reflection, thereby improving the light extraction efficiency. In addition, since a large number of voids are irregularly formed due to the porous structure, it is possible to avoid a situation in which a specific radiation pattern is generated due to interference between diffracted lights in the radiation pattern of light emitted from the element. Therefore, it is possible to realize a semiconductor light emitting device with high light extraction efficiency and good radiation pattern.
また、本発明の半導体発光素子によると、光取り出し面となる表面を持つ半導体層に対する多孔質化処理をウェットエッチングによって行なうことができるので、ドライエッチングに起因して該半導体層にダメージが生じるという問題を回避することができる。 In addition, according to the semiconductor light emitting device of the present invention, the porous layer can be formed by wet etching on the semiconductor layer having the surface serving as the light extraction surface, so that the semiconductor layer is damaged due to dry etching. The problem can be avoided.
また、本発明の半導体発光素子によると、多孔質化された半導体層の光吸収端波長(光の吸収係数が急激に減少する波長)が、多孔質化される前と比べて短波長側にシフトするので、活性層からの光の吸収が低減され、その結果、光取り出し効率を更に高めることができる。 In addition, according to the semiconductor light emitting device of the present invention, the light absorption edge wavelength (wavelength at which the light absorption coefficient sharply decreases) of the porous semiconductor layer is shorter than that before the porous structure. Shifting reduces the absorption of light from the active layer and, as a result, further increases the light extraction efficiency.
また、本発明の半導体発光素子の製造に当たっては、高度なフォトリソグラフィ技術を用いる必要がないので、歩留りを良くすることができる。 Further, in the production of the semiconductor light emitting device of the present invention, it is not necessary to use advanced photolithography technology, so that the yield can be improved.
本発明の半導体発光素子において、半導体層の多孔質化領域における各空隙の底部が凹凸を形成することが好ましい。ここで、凹凸の高低差は10nm程度以上であることが更に好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the bottom of each void in the porous region of the semiconductor layer forms irregularities. Here, it is more preferable that the height difference of the unevenness is about 10 nm or more.
このようにすると、半導体層の多孔質化領域において活性層からの光をより効果的に散乱させることができるので、特異な干渉ピークを持たない良好な放射パターンを実現しつつ光出力を向上させることができる。 In this way, light from the active layer can be more effectively scattered in the porous region of the semiconductor layer, thereby improving the light output while realizing a good radiation pattern without a specific interference peak. be able to.
本発明の半導体発光素子において、半導体層の多孔質化領域は、それぞれの先端が凹凸を形成する複数の半導体残存部を有することが好ましい。ここで、凹凸の高低差は10nm程度以上であることが更に好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the porous region of the semiconductor layer has a plurality of remaining semiconductor portions, each of which forms an unevenness. Here, it is more preferable that the height difference of the unevenness is about 10 nm or more.
このようにすると、半導体層の多孔質化領域において活性層からの光をより効果的に散乱させることができるので、特異な干渉ピークを持たない良好な放射パターンを実現しつつ光出力を向上させることができる。 In this way, light from the active layer can be more effectively scattered in the porous region of the semiconductor layer, thereby improving the light output while realizing a good radiation pattern without a specific interference peak. be able to.
本発明の半導体発光素子において、複数の半導体層は、活性層と半導体層との間に設けられ且つ電流拡散層となる多孔質化されていない他の半導体層を有し、半導体層の非多孔質化領域の上に電極が設けられていることが好ましく、該電流拡散層が少なくとも1つのヘテロ界面を有することがより好ましい。 In the semiconductor light-emitting device of the present invention, the plurality of semiconductor layers have other non-porous semiconductor layers provided between the active layer and the semiconductor layer and serving as current diffusion layers, and the non-porous semiconductor layer It is preferable that an electrode is provided on the materialized region, and it is more preferable that the current spreading layer has at least one heterointerface.
このようにすると、多孔質構造の存在により半導体層内では横方向に拡散しにくいキャリアを、他の半導体層つまり電流拡散層によって横方向に拡散させやすくできるので、発光面全面から均一な発光を得ることができる。 In this way, carriers that are difficult to diffuse laterally in the semiconductor layer due to the presence of the porous structure can be easily diffused laterally by other semiconductor layers, that is, current diffusion layers. Can be obtained.
本発明の半導体発光素子において、半導体層の多孔質化領域の各空隙のうち、互いに隣り合う空隙同士の距離が20nm以下であると、量子効果によって、半導体層の多孔質化領域の光吸収端波長は、半導体層の非多孔質化領域の光吸収端波長よりも短波長になる。ここで、活性層の発光波長(中心波長)が半導体層の禁制帯波長程度であるか又はそれ以下であると、半導体層の多孔質化領域の光吸収端波長は、活性層から発せられる光の中心波長よりも短波長になって、活性層から放射された光を半導体層による吸収なく取り出すことができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the light absorption edge of the porous region of the semiconductor layer is caused by a quantum effect when the distance between adjacent voids of the porous region of the semiconductor layer is 20 nm or less. The wavelength is shorter than the light absorption edge wavelength of the non-porous region of the semiconductor layer. Here, when the emission wavelength (center wavelength) of the active layer is about or less than the forbidden band wavelength of the semiconductor layer, the light absorption edge wavelength of the porous region of the semiconductor layer is the light emitted from the active layer. Since the light emitted from the active layer becomes shorter than the center wavelength of the light without being absorbed by the semiconductor layer, the light extraction efficiency can be further improved.
本発明の半導体発光素子において、半導体層の多孔質化領域における実効的な屈折率は活性層から遠ざかるに従って小さくなることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the effective refractive index in the porous region of the semiconductor layer decreases as the distance from the active layer increases.
このようにすると、光取り出し効率をより高めることができる。尚、「半導体層の多孔質化領域における実効的な屈折率」とは、半導体部分の屈折率と空隙部分の屈折率とを各部分の体積比を考慮して平均した屈折率を意味する。 If it does in this way, light extraction efficiency can be raised more. The “effective refractive index in the porous region of the semiconductor layer” means a refractive index obtained by averaging the refractive index of the semiconductor portion and the refractive index of the void portion in consideration of the volume ratio of each portion.
本発明の半導体発光素子において、半導体層の多孔質化領域における単位体積当たりについて空隙が占める割合は、活性層から遠ざかるに従って大きくなることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the proportion of voids per unit volume in the porous region of the semiconductor layer is preferably increased as the distance from the active layer increases.
このようにすると、半導体層の多孔質化領域の実効的な屈折率は活性層から遠ざかるに従って(つまり基板側から表面側に向かって)徐々に減少するので、光取り出し効率をより高めることができる。 In this case, the effective refractive index of the porous region of the semiconductor layer gradually decreases as it moves away from the active layer (that is, from the substrate side to the surface side), so that the light extraction efficiency can be further increased. .
本発明の半導体発光素子において、半導体層のバンドギャップエネルギーは、活性層から遠ざかるに従って段階的又は連続的に小さくなることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the band gap energy of the semiconductor layer decreases stepwise or continuously as the distance from the active layer increases.
このようにすると、半導体層の多孔質化領域における単位体積当たりについて空隙が占める割合を、活性層から遠ざかるに従って大きくすることができ、その結果、半導体層の多孔質化領域の実効的な屈折率は基板側から表面側に向かって徐々に減少するので、光取り出し効率をより高めることができる。 In this way, the proportion of voids per unit volume in the porous region of the semiconductor layer can be increased as the distance from the active layer increases. As a result, the effective refractive index of the porous region of the semiconductor layer is increased. Since it gradually decreases from the substrate side toward the surface side, the light extraction efficiency can be further increased.
本発明の半導体発光素子において、半導体層の多孔質化領域における各空隙と接する半導体表面は酸化されていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, it is preferable that the semiconductor surface in contact with each void in the porous region of the semiconductor layer is oxidized.
このようにすると、多孔質化領域における半導体表面が大気に直接曝されることがなくなるので、素子の信頼性が大幅に向上する。 In this way, the semiconductor surface in the porous region is not directly exposed to the atmosphere, so that the reliability of the device is greatly improved.
本発明の半導体発光素子において、半導体層の多孔質化領域の表面側は保護膜によって覆われていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the surface side of the porous region of the semiconductor layer is preferably covered with a protective film.
このようにすると、多孔質化領域における半導体表面が大気に直接曝されることがなくなるので、素子の信頼性が大幅に向上する。このとき、保護膜としては、例えばSiO2 、Al2O3、SiN、TiO2 、ZrO2 、Nb2O5、Ta2 O5 又はGa2O3よりなる膜を用いることができる。 In this way, the semiconductor surface in the porous region is not directly exposed to the atmosphere, so that the reliability of the device is greatly improved. At this time, as the protective film, for example, a film made of SiO 2 , Al 2 O 3 , SiN, TiO 2 , ZrO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 or Ga 2 O 3 can be used.
本発明の半導体発光素子において、半導体層の多孔質化領域の表面側は透明電極によって覆われていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the surface side of the porous region of the semiconductor layer is preferably covered with a transparent electrode.
このようにすると、多孔質化領域における半導体表面が大気に直接曝されることがなくなるので、素子の信頼性が大幅に向上する。また、キャリアの注入をより均一に行なうことができるので、発光効率をより一層向上させることができる。 In this way, the semiconductor surface in the porous region is not directly exposed to the atmosphere, so that the reliability of the device is greatly improved. In addition, since the carrier can be injected more uniformly, the light emission efficiency can be further improved.
本発明の半導体発光素子において、半導体層はn型半導体層であることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the semiconductor layer is preferably an n-type semiconductor layer.
このようにすると、一般にコンタクト抵抗がn側電極よりも大きいp側電極を、複数の半導体層における光取り出し面の反対面となるp型半導体層表面上に全面に亘って形成できるので、動作電圧を低減できる。 In this case, the p-side electrode having a contact resistance larger than that of the n-side electrode can be formed over the entire surface of the p-type semiconductor layer, which is the opposite surface of the light extraction surface in the plurality of semiconductor layers. Can be reduced.
本発明の半導体発光素子において、複数の半導体層は基板の上に形成されており、基板における複数の半導体層が形成されていない側の主面上に金属又は誘電体多層構造からなる反射膜が形成されていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the plurality of semiconductor layers are formed on the substrate, and a reflective film having a metal or dielectric multilayer structure is formed on the main surface of the substrate on which the plurality of semiconductor layers are not formed. Preferably it is formed.
このようにすると、活性層から基板の方向に放射された光が前記の反射膜により効率よく反射されるので、光取り出し面からの光取り出し効率を更に向上させることができる。 If it does in this way, since the light radiated | emitted from the active layer to the direction of a board | substrate will be reflected efficiently by the said reflecting film, the light extraction efficiency from a light extraction surface can further be improved.
本発明の半導体発光素子において、複数の半導体層における光取り出し面の反対面となる表面を持つ他の半導体層の該表面上に金属又は誘電体多層構造からなる反射膜が形成されていることが好ましい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, a reflective film made of a metal or dielectric multilayer structure may be formed on the surface of another semiconductor layer having a surface opposite to the light extraction surface of the plurality of semiconductor layers. preferable.
このようにすると、活性層から他の半導体層の方向に放射された光が前記の反射膜によって効率よく反射されるので、光取り出し面からの光取り出し効率を更に向上させることができる。 In this case, light emitted from the active layer in the direction of the other semiconductor layer is efficiently reflected by the reflective film, so that the light extraction efficiency from the light extraction surface can be further improved.
本発明の半導体発光素子において、前記の複数の半導体層の材料として、例えばBxAlyInzGa1-x-y-zN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表される窒化物系化合物半導体を用いてもよい。 In the semiconductor light-emitting device of the present invention, as a material of the plurality of semiconductor layers of the, for example, B x Al y In z Ga 1 -xyz N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ z ≦ 1,0 A nitride compound semiconductor represented by ≦ x + y + z ≦ 1) may be used.
本発明の半導体発光素子において、活性層から発せられる光の波長は430nmよりも短いと、白色LEDを実現することができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, when the wavelength of light emitted from the active layer is shorter than 430 nm, a white LED can be realized.
本発明の半導体発光素子において、前記の半導体層の材料として、例えばAlxGa1-xN(0≦x≦1)で表される窒化物系化合物半導体を用いてもよい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, a nitride compound semiconductor represented by, for example, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) may be used as the material of the semiconductor layer.
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上にn型半導体層、活性層となる半導体層及びp型半導体層を順次形成する工程と、各半導体層の多層構造と基板とを分離する工程と、多層構造のうち活性層からの光を取り出すための光取り出し面となる表面を持つn型半導体層における少なくとも一部分を多孔質化する工程とを備えている。 A method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to the present invention includes a step of sequentially forming an n-type semiconductor layer, a semiconductor layer to be an active layer, and a p-type semiconductor layer on a substrate, and separating the multilayer structure of each semiconductor layer from the substrate. And a step of making at least a part of the n-type semiconductor layer having a surface to be a light extraction surface for extracting light from the active layer in the multilayer structure porous.
本発明の半導体発光素子の製造方法によると、光取り出し面となる表面を持つ半導体層を多孔質化するため、活性層から発せられた光が、光取り出し面となる半導体層表面で全反射することを抑止でき、それによって光取り出し効率を向上させることができる。また、多孔質化によって多数の空隙が不規則に形成されるため、素子から放射される光の放射パターンにおいて回折光同士の干渉により特異な放射パターンが生じてしまう事態も回避できる。従って、光取り出し効率が高く且つ放射パターンが良好な半導体発光素子を実現することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, since the semiconductor layer having the surface serving as the light extraction surface is made porous, the light emitted from the active layer is totally reflected on the surface of the semiconductor layer serving as the light extraction surface. This can be suppressed, and thereby the light extraction efficiency can be improved. In addition, since a large number of voids are irregularly formed due to the porous structure, it is possible to avoid a situation in which a specific radiation pattern is generated due to interference between diffracted lights in the radiation pattern of light emitted from the element. Therefore, it is possible to realize a semiconductor light emitting device with high light extraction efficiency and good radiation pattern.
また、本発明の半導体発光素子の製造方法によると、光取り出し面となる表面を持つ半導体層に対する多孔質化処理をウェットエッチングによって行なうことができるので、ドライエッチングに起因して該半導体層にダメージが生じるという問題を回避することができる。 In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, the porous layer can be formed by wet etching on the semiconductor layer having the surface serving as the light extraction surface, so that the semiconductor layer is damaged due to dry etching. Can be avoided.
また、本発明の半導体発光素子の製造方法によると、多孔質化された半導体層の光吸収端波長が、多孔質化される前と比べて短波長側にシフトするので、活性層からの光の吸収が低減され、その結果、光取り出し効率を更に高めることができる。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, the light absorption edge wavelength of the porous semiconductor layer is shifted to the short wavelength side compared with that before the porous layer is formed. As a result, the light extraction efficiency can be further increased.
また、本発明の半導体発光素子の製造方法によると、高度なフォトリソグラフィ技術を用いる必要がないので、歩留りを良くすることができる。 In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, it is not necessary to use an advanced photolithography technique, so that the yield can be improved.
また、本発明の半導体発光素子の製造方法によると、一般にコンタクト抵抗がn側電極よりも大きいp側電極を、半導体層の多層構造における光取り出し面の反対面となるp型半導体層表面上に全面に亘って形成できるので、動作電圧を低減できる。 In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, a p-side electrode having a contact resistance larger than that of an n-side electrode is generally formed on the surface of the p-type semiconductor layer that is the opposite surface of the light extraction surface in the multilayer structure of the semiconductor layer. Since it can be formed over the entire surface, the operating voltage can be reduced.
本発明の半導体発光素子によれば、光取り出し面となる表面を持つ半導体層が多孔質化されているため、該半導体層に空隙が不規則に形成されるので、回折光同士の干渉に起因する特異な放射パターンを生じることなく光取り出し効率を高めることができる。また、この半導体層の多孔質化処理をウェットエッチングによって行なうことができるので、ドライエッチングに伴うダメージの問題を解消することができる。また、多孔質化された半導体層の光吸収端波長は多孔質化される前よりも短波長側にシフトするため、活性層からの光の吸収が低減されて光取り出し効率を更に高めることができる。また、製造に当たって微細フォトリソグラフィ技術を必要としないので、歩留り良く製造することができる。 According to the semiconductor light-emitting device of the present invention, since the semiconductor layer having the surface that becomes the light extraction surface is made porous, voids are irregularly formed in the semiconductor layer, which is caused by interference between diffracted lights. The light extraction efficiency can be increased without producing a unique radiation pattern. Further, since the porous processing of the semiconductor layer can be performed by wet etching, the problem of damage associated with dry etching can be solved. In addition, since the light absorption edge wavelength of the porous semiconductor layer is shifted to a shorter wavelength side than before the porous layer, the absorption of light from the active layer is reduced, and the light extraction efficiency can be further increased. it can. Further, since a fine photolithography technique is not required for manufacturing, it can be manufactured with high yield.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)及び(b)はそれぞれ第1の実施形態に係る半導体発光素子の構造を示す図面であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)におけるI−I線の断面図である。 1A and 1B are views showing the structure of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, respectively, FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a view in FIG. It is sectional drawing of the II line.
第1の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は以下の通りである。図1(a)及び(b)に示すように、まず、例えば有機金属気相成長法(以下、MOCVD法と呼ぶ)を用いて、ウェハよりなるサファイア基板1の上にn型GaN層2(厚さ3.0μm程度)、InGaN多重量子井戸活性層3、p型Al0.15Ga0.85N電子障壁層4(厚さ10nm)、p型AlGaN/GaN歪超格子層5及びp型GaNコンタクト層6(厚さ50nm)を順次形成する。ここで、InGaN多重量子井戸活性層3は、In0.1 Ga0.9 N量子井戸層(厚さ2.5nm)とIn0.02Ga0.98N障壁層(厚さ5nm)との積層構造を3周期分形成したものである。また、p型AlGaN/GaN歪超格子層5は、p型Al0.1 Ga0.9 N層(厚さ1.5nm)とp型GaN層(厚さ1.5nm)との積層構造を50周期分形成したものである。
The manufacturing method of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment is as follows. As shown in FIGS. 1A and 1B, first, an n-type GaN layer 2 (on a
次に、p型GaNコンタクト層6の光取り出し部上に開口を持つようにp側オーミック電極7を形成した後、前述の各半導体層が積層されたウェハを、例えばメタノール、フッ酸及び過酸化水素水の混合液に浸すことによって、p型GaNコンタクト層6の光取り出し部に多孔質構造(多孔質化領域)9を形成する。続いて、ドライエッチングにより、前述の各半導体層の積層構造のうちn側オーミック電極形成領域をn型GaN層2が露出するまでエッチングした後、該n型GaN層2の露出面の上にn側オーミック電極8を形成する。ここで、本実施形態の半導体発光素子との比較のために、前記の多孔質構造9を形成していない点を除いて、本実施形態の半導体発光素子と同様の構造を持つ半導体発光素子(比較例)も作製しておく。
Next, after forming the p-
図2の線(a)は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の電流(p側オーミック電極7に流す駆動電流)−光出力特性を示しており、図2の線(b)は、比較のために作製した、多孔質構造を含まない半導体発光素子の電流−光出力特性を示す。図2から分かるように、本発明の多孔質構造9を用いることにより、光出力が約3倍に向上した。
A line (a) in FIG. 2 shows a current (drive current passed through the p-side ohmic electrode 7) -light output characteristic of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment, and a line (b) in FIG. The current-light output characteristics of a semiconductor light-emitting element that is manufactured for comparison and does not include a porous structure are shown. As can be seen from FIG. 2, by using the
図3は、第1の実施形態に係る半導体発光素子から放射される光の放射パターンを示す。尚、図3において、光の放射方向を示す角度の基準(0°)は素子の真上方向(ウェハ主面の法線方向)に取っている。図3に示すように、本実施形態の半導体発光素子によると、特異な干渉ピークのない良好な放射パターンが得られている。 FIG. 3 shows a radiation pattern of light emitted from the semiconductor light emitting device according to the first embodiment. In FIG. 3, the angle reference (0 °) indicating the light emission direction is directly above the element (normal direction of the main surface of the wafer). As shown in FIG. 3, according to the semiconductor light emitting device of this embodiment, a good radiation pattern without a specific interference peak is obtained.
図4は、第1の実施形態に係る半導体発光素子におけるp型GaNコンタクト層6の多孔質構造9の断面構造を模式的に示す図である。図4に示すように、p型GaNコンタクト層6の表面側からGaN結晶内部に向かって多数の細長い空隙が形成されている。本実施形態において、干渉ピークを持たない良好な放射パターンを実現しつつ光出力が向上した理由は、この不規則に空隙が形成された多孔質構造9によって、光が効果的に散乱されたためであると考えられる。尚、GaN層の多孔質化は不規則に進行するため、多孔質構造9中の各空隙の底部(つまり最も深い部分)をつないだ面は平坦にはならず、高低差が10nm程度以上の凹凸を生じる。これにより、光の散乱が一層効果的に生じ、その結果、光取り出し効率の向上が図られていると考えられる。また、光の散乱を更に効果的に起こすためには、多孔質構造9の表面側にも凹凸形状が形成されていることが望ましい。具体的には、複数の柱状半導体残存部を有する多孔質構造9において、該各半導体残存部の先端をつないだ面は、高低差が10nm程度以上の凹凸を生じることが好ましい。以上のような多孔質構造9における表面側又は底部側の凹凸は、多孔質化処理条件(混合液(ウェットエッチング液)の組成比、処理温度及び処理時間等)の最適化により、又はフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程をさらに組み合わせることにより形成することができる。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
ところで、本実施形態においては、InGaN多重量子井戸活性層3とp型GaNコンタクト層6との間に、p型AlGaN/GaN歪超格子層5及びp型AlGaN電子障壁層4を設けている。このように、活性層とコンタクト層との間に、電流拡散層となる多孔質化されていない半導体層を設けることによって、1つ以上のヘテロ界面を形成することが望ましい。その理由は次の通りである。p型GaNコンタクト層6の光取り出し部上に開口を持つp側オーミック電極7、つまりp型GaNコンタクト層6の非多孔質化領域上に形成されたp側オーミック電極7から注入されたキャリアは、多孔質構造9の存在によりp型GaNコンタクト層内で横方向(基板主面に平行な方向)には拡散しにくいので、光取り出し面の全面から均一な発光を得ることが困難になりやすい。それに対して、本実施形態のように、活性層とコンタクト層との間に複数のヘテロ界面を設けることにより、キャリアの横方向拡散を促進することができ、その結果、より均一な発光を得ることができる。
By the way, in this embodiment, the p-type AlGaN / GaN
図5はp型GaNの光吸収スペクトルを示しており、図5(a)は多孔質構造を形成したp型GaNの光吸収スペクトルを示し、図5(b)は多孔質構造を形成する前のp型GaNの光吸収スペクトルを示す。図5から分かるように、p型GaNに多孔質構造を形成することにより光吸収端波長(光の吸収係数が急激に減少する波長)が短波長側にシフトする。言い換えると、p型GaNの多孔質化領域の光吸収端波長は、p型GaNの非多孔質化領域の光吸収端波長よりも短波長である。これは、多孔質構造中に残されたp型GaNのサイズが十分に小さく、それにより量子効果を生じたためと思われる。具体的には、図4中に記号tで示した、多孔質構造9中のp型GaNの平均的なサイズがおよそ20nm以下の場合に、このような量子効果が発現する。言い換えると、多孔質構造9の各空隙のうち、互いに隣り合う空隙同士の距離は20nm程度以下であることが好ましい。尚、該距離は、多孔質構造9中のp型GaNの最小幅(1原子層の厚さである0.5nm程度)よりも小さくなることはない。
FIG. 5 shows a light absorption spectrum of p-type GaN, FIG. 5 (a) shows a light absorption spectrum of p-type GaN having a porous structure, and FIG. 5 (b) shows a state before forming the porous structure. The light absorption spectrum of p-type GaN is shown. As can be seen from FIG. 5, by forming a porous structure in p-type GaN, the light absorption edge wavelength (wavelength at which the light absorption coefficient decreases rapidly) is shifted to the short wavelength side. In other words, the light absorption edge wavelength of the porous region of p-type GaN is shorter than the light absorption edge wavelength of the non-porous region of p-type GaN. This is probably because the size of the p-type GaN left in the porous structure is sufficiently small, thereby causing a quantum effect. Specifically, such a quantum effect appears when the average size of p-type GaN in the
また、図5に示すような光吸収端波長の短波長化は、活性層の発光波長(中心波長)がコンタクト層の禁制帯波長(p型GaNの場合で約365nm)程度であるか又はそれ以下である場合に特に有用である。すなわち、前述のような多孔質構造をコンタクト層に形成することによって、コンタクト層における多孔質構造の光吸収端波長を活性層の発光波長よりも短波長にできる。このため、活性層から放射された光をコンタクト層による吸収なく取り出すことができるので、光取り出し効率をより向上させることができる。 Further, the shortening of the light absorption edge wavelength as shown in FIG. 5 is that the emission wavelength (center wavelength) of the active layer is about the forbidden band wavelength of the contact layer (about 365 nm in the case of p-type GaN) or It is particularly useful when: That is, by forming the porous structure as described above in the contact layer, the light absorption edge wavelength of the porous structure in the contact layer can be made shorter than the emission wavelength of the active layer. For this reason, since the light radiated | emitted from the active layer can be taken out without absorption by a contact layer, light extraction efficiency can be improved more.
以上に説明したように、第1の実施形態によると、光取り出し面となる表面を持つp型GaNコンタクト層6に多孔質構造9が形成されているので、InGaN多重量子井戸活性層3から発せられた光が、p型GaNコンタクト層6の表面で全反射することを抑止でき、それによって光取り出し効率を向上させることができる。また、多孔質化によって多数の空隙が不規則に形成されるため、素子から放射される光の放射パターンにおいて回折光同士の干渉により特異な放射パターンが生じてしまう事態も回避できる。従って、光取り出し効率が高く且つ放射パターンが良好な半導体発光素子を実現することができる。
As described above, according to the first embodiment, since the
また、第1の実施形態によると、p型GaNコンタクト層6に対する多孔質化処理をウェットエッチングによって行なうことができるので、ドライエッチングに起因してp型GaNコンタクト層6にダメージが生じるという問題を回避することができる。
Further, according to the first embodiment, since the porous processing for the p-type
また、第1の実施形態によると、多孔質化されたp型GaNコンタクト層6の光吸収端波長が、多孔質化される前と比べて短波長側にシフトするので、InGaN多重量子井戸活性層3からの光の吸収が低減され、その結果、光取り出し効率を更に高めることができる。
Further, according to the first embodiment, the light absorption edge wavelength of the porous p-type
また、第1の実施形態によると、素子の製造に当たっては、高度なフォトリソグラフィ技術を用いる必要がないので、歩留りを良くすることができる。 In addition, according to the first embodiment, since it is not necessary to use advanced photolithography technology when manufacturing an element, the yield can be improved.
尚、第1の実施形態において、p型GaNコンタクト層6の多孔質化処理のために、メタノール、フッ酸及び過酸化水素水の混合液を用いたが、これに代えて、フッ酸及び過酸化水素水の混合液を用いてもよい。また、コンタクト層として、p型GaN層に代えてSiC層を用いる場合、該SiC層の多孔質化処理のためには、HF(フッ酸)及びS2O8 4-を含むウェットエッチング液を用いてもよい。
In the first embodiment, a mixed solution of methanol, hydrofluoric acid and hydrogen peroxide solution was used for the porous treatment of the p-type
また、第1の実施形態において、サファイア基板1の裏面(n型GaN層2等が形成されている面の反対面)上に、金属又は誘電体多層構造からなる反射膜が形成されていることが好ましい。このようにすると、InGaN多重量子井戸活性層3からサファイア基板1の方向に放射された光が前記の反射膜によって効率よく反射されるので、光取り出し面からの光取り出し効率を更に向上させることができる。
In the first embodiment, a reflective film made of a metal or dielectric multilayer structure is formed on the back surface of the sapphire substrate 1 (the surface opposite to the surface on which the n-
また、第1の実施形態において、p型GaNコンタクト層6に多孔質構造9を形成したが、これに代えて、p型GaNコンタクト層6上に設けた他の半導体層に多孔質構造9を形成しても同様の効果が得られる。
In the first embodiment, the
(第1の実施形態の変形例)
以下、本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。本変形例が第1の実施形態と異なっている点は、p型GaNコンタクト層6の多孔質構造9の断面構造である。すなわち、本変形例に係る半導体発光素子の多孔質構造9を除く基本的な構造は、図1(a)及び(b)に示す第1の実施形態と同様である。
(Modification of the first embodiment)
Hereinafter, a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to a modification of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This modification is different from the first embodiment in the cross-sectional structure of the
図6は、本変形例に係る半導体発光素子におけるp型GaNコンタクト層6の多孔質構造9の断面構造を模式的に示す図である。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
本変形例に係る半導体発光素子の製造方法は以下の通りである。まず、例えばMOCVD法を用いて、ウェハよりなるサファイア(0001)基板1の上に、n型GaN層2(厚さ3.0μm程度)、InGaN多重量子井戸活性層3、p型Al0.15Ga0.85N電子障壁層4(厚さ10nm)、p型AlGaN/GaN歪超格子層5及びp型GaNコンタクト層6(厚さ50nm)を順次形成する。ここで、InGaN多重量子井戸活性層3は、In0.1 Ga0.9 N量子井戸層(厚さ2.5nm)とIn0.02Ga0.98N障壁層(厚さ5nm)との積層構造を3周期分形成したものである。また、p型AlGaN/GaN歪超格子層5は、p型Al0.1 Ga0.9 N層(厚さ1.5nm)とp型GaN層(厚さ1.5nm)との積層構造を50周期分形成したものである。
The method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to this modification is as follows. First, an n-type GaN layer 2 (thickness of about 3.0 μm), an InGaN multiple quantum well
尚、本変形例においては、p型GaNコンタクト層6の結晶欠陥密度を高くするために、p型GaNコンタクト層6の形成時における結晶成長条件を、通常用いられる条件からずらす。具体的には、p型GaNコンタクト層6の結晶成長温度を、通常のGaNの結晶成長温度よりも約100℃低温の900℃に設定する。
In this modification, in order to increase the crystal defect density of the p-type
次に、p型GaNコンタクト層6の光取り出し部上に開口を持つようにp側オーミック電極7を形成した後、前述の各半導体層が積層されたウェハを、例えばメタノール、フッ酸及び過酸化水素水の混合液に浸すことによって、図6に示すように、p型GaNコンタクト層6の光取り出し部に多孔質構造(多孔質化領域)9を形成する。続いて、ドライエッチングにより、前述の各半導体層の積層構造のうちn側オーミック電極形成領域をn型GaN層2が露出するまでエッチングした後、該n型GaN層2の露出面の上にn側オーミック電極8を形成する。
Next, after forming the p-
本変形例では、前述のように、p型GaNコンタクト層6の結晶欠陥密度を高くしているために、多孔質化領域9の形成の際に、当該結晶欠陥を中心としてGaNのエッチングに異方性が生じ、その結果、p型GaNコンタクト層6は基板主面((0001)面)に垂直な方向にエッチングされることになる。従って、図6に示すように、エッチングにより形成された多孔質化領域9の各柱状構造の側面は互いに平行になる。本変形例では、前記の各柱状構造における(0001)面に沿った方向の直径tの平均値は約40nmであった。
In this modification, as described above, since the crystal defect density of the p-type
尚、本変形例においても、図6に示すように、p型GaNコンタクト層6の表面側からGaN結晶内部に向かって多数の細長い空隙が形成されるため、光が効果的に散乱されるので、干渉ピークを持たない良好な放射パターンを実現しつつ光出力が向上する。また、GaN層の多孔質化は不規則に進行するため、多孔質構造9中の各空隙の底部(つまり最も深い部分)をつないだ面は平坦にはならず、高低差が10nm程度以上の凹凸を生じる。これにより、光の散乱が一層効果的に生じ、その結果、光取り出し効率の向上が図られる。また、光の散乱を更に効果的に起こすためには、多孔質構造9の表面側にも凹凸形状が形成されていることが望ましい。具体的には、複数の柱状半導体残存部を有する多孔質構造9において、該各半導体残存部の先端をつないだ面は、高低差が10nm程度以上の凹凸を生じることが好ましい。以上のような多孔質構造9における表面側又は底部側の凹凸は、多孔質化処理条件(混合液(ウェットエッチング液)の組成比、処理温度及び処理時間等)の最適化により、又はフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程をさらに組み合わせることにより形成することができる。
In this modification as well, as shown in FIG. 6, since many elongated voids are formed from the surface side of the p-type
ところで、本変形例においても、InGaN多重量子井戸活性層3とp型GaNコンタクト層6との間に、p型AlGaN/GaN歪超格子層5及びp型AlGaN電子障壁層4を設けている。このように、活性層とコンタクト層との間に、電流拡散層となる多孔質化されていない半導体層を設けることによって、1つ以上のヘテロ界面を形成することが望ましい。その理由は次の通りである。p型GaNコンタクト層6の光取り出し部上に開口を持つp側オーミック電極7、つまりp型GaNコンタクト層6の非多孔質化領域上に形成されたp側オーミック電極7から注入されたキャリアは、多孔質構造9の存在によりp型GaNコンタクト層内で横方向(基板主面に平行な方向)には拡散しにくいので、光取り出し面の全面から均一な発光を得ることが困難になりやすい。それに対して、本変形例のように、活性層とコンタクト層との間に複数のヘテロ界面を設けることにより、キャリアの横方向拡散を促進することができるので、より均一な発光を得ることができる。
By the way, also in this modification, the p-type AlGaN / GaN
以上に説明したように、本変形例によると、光取り出し面となる表面を持つp型GaNコンタクト層6に多孔質構造9が形成されているので、InGaN多重量子井戸活性層3から発せられた光が、p型GaNコンタクト層6の表面で全反射することを抑止でき、それによって光取り出し効率を向上させることができる。また、多孔質化によって多数の空隙が不規則に形成されるため、素子から放射される光の放射パターンにおいて回折光同士の干渉により特異な放射パターンが生じてしまう事態も回避できる。従って、光取り出し効率が高く且つ放射パターンが良好な半導体発光素子を実現することができる。
As described above, according to the present modification, the
また、本変形例によると、p型GaNコンタクト層6に対する多孔質化処理をウェットエッチングによって行なうことができるので、ドライエッチングに起因してp型GaNコンタクト層6にダメージが生じるという問題を回避することができる。
In addition, according to this modification, the p-type
また、本変形例によると、多孔質化されたp型GaNコンタクト層6の光吸収端波長が、多孔質化される前と比べて短波長側にシフトするので、InGaN多重量子井戸活性層3からの光の吸収が低減され、その結果、光取り出し効率を更に高めることができる。
Moreover, according to this modification, the light absorption edge wavelength of the porous p-type
また、本変形例によると、素子の製造に当たっては、高度なフォトリソグラフィ技術を用いる必要がないので、歩留りを良くすることができる。 In addition, according to this modification, since it is not necessary to use advanced photolithography technology when manufacturing the element, the yield can be improved.
尚、本変形例において、p型GaNコンタクト層6の多孔質化処理のために、メタノール、フッ酸及び過酸化水素水の混合液を用いたが、これに代えて、フッ酸及び過酸化水素水の混合液を用いてもよい。また、コンタクト層として、p型GaN層に代えてSiC層を用いる場合、該SiC層の多孔質化処理のためには、HF(フッ酸)及びS2O8 4-を含むウェットエッチング液を用いてもよい。
In this modification, a mixed liquid of methanol, hydrofluoric acid and hydrogen peroxide water was used for the porous treatment of the p-type
また、本変形例において、サファイア基板1の裏面(n型GaN層2等が形成されている面の反対面)上に、金属又は誘電体多層構造からなる反射膜が形成されていることが好ましい。このようにすると、InGaN多重量子井戸活性層3からサファイア基板1の方向に放射された光が前記の反射膜によって効率よく反射されるので、光取り出し面からの光取り出し効率を更に向上させることができる。
Moreover, in this modification, it is preferable that a reflective film made of a metal or dielectric multilayer structure is formed on the back surface of the sapphire substrate 1 (the surface opposite to the surface on which the n-
また、本変形例において、p型GaNコンタクト層6に多孔質構造9を形成したが、これに代えて、p型GaNコンタクト層6上に設けた他の半導体層に多孔質構造9を形成しても同様の効果が得られる。
In this modification, the
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図7は第2の実施形態に係る半導体発光素子の断面構造を示す図である。第2の実施形態に係る半導体発光素子が第1の実施形態(図1(a)及び(b)参照)と異なっている点は、図7に示すように、p型GaNコンタクト層6の代わりに、基板側から表面側に向かってAl組成が例えば10%程度から0%まで連続的に減少するp型AlGaN傾斜組成コンタクト層10が形成されていることである。それ以外の構成要素については、製造方法を含めて第1の実施形態と同じである。
FIG. 7 is a view showing a cross-sectional structure of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment. The semiconductor light emitting device according to the second embodiment is different from the first embodiment (see FIGS. 1A and 1B) in that, instead of the p-type
図8は、第2の実施形態に係る半導体発光素子におけるp型AlGaN傾斜組成コンタクト層10の多孔質構造9の断面構造を模式的に示す図である。尚、図8において、AlGaN傾斜組成コンタクト層10におけるAl組成の変化を表すグラフを前述の断面構造と合わせて示している。
FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
図8に示すように、第2の実施形態の多孔質構造9では、基板側から表面側に向かってp型AlGaNのサイズ(幅)が徐々に小さくなっている。これは、Al組成が低くなるに従ってAlGaNのエッチング速度(第1の実施形態と同様の多孔質化処理におけるエッチング速度)が大きくなるためである。これにより、多孔質構造9中ではp型AlGaNの充填率が基板側から表面側に向かって徐々に減少する。言い換えると、多孔質構造9における単位体積当たりについて空隙が占める割合はInGaN多重量子井戸活性層3から遠ざかるに従って大きくなる。このため、p型AlGaN傾斜組成コンタクト層10の多孔質構造9の実効的な屈折率は基板側から表面側に向かって徐々に減少するので、第1の実施形態と比べて、光取り出し効率をより高めることができる。
As shown in FIG. 8, in the
尚、第2の実施形態において、p型AlGaN傾斜組成コンタクト層10のAl組成を連続的に変化させたが、これに代えて、Al組成を段階的に変化させてもよい。また、p型AlGaN傾斜組成コンタクト層10に代えて、InGaN多重量子井戸活性層3から遠ざかるに従ってバンドギャップエネルギーが段階的又は連続的に小さくなる他の傾斜組成層を用いてもよい。このようにした場合にも、該他の傾斜組成層の多孔質化領域における単位体積当たりについて空隙が占める割合を、活性層から遠ざかるに従って大きくすることができ、その結果、該他の傾斜組成層の多孔質化領域の実効的な屈折率は基板側から表面側に向かって徐々に減少するので、光取り出し効率をより高めることができる。
In the second embodiment, the Al composition of the p-type AlGaN gradient
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。尚、第3の実施形態に係る半導体発光素子が第2の実施形態(図7及び図8参照)と異なっている点は、p型AlGaN傾斜組成コンタクト層10の多孔質構造9における詳細構造である。すなわち、該詳細構造以外の第3の実施形態の素子構造は第2の実施形態と同じである。
(Third embodiment)
Hereinafter, a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor light emitting device according to the third embodiment is different from the second embodiment (see FIGS. 7 and 8) in the detailed structure of the
図9は、第3の実施形態に係る半導体発光素子におけるp型AlGaN傾斜組成コンタクト層10の多孔質構造9の断面構造を模式的に示す図である。
FIG. 9 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
図9に示すように、本実施形態では、p型AlGaN傾斜組成コンタクト層10の多孔質構造9における各空隙と接する半導体表面に、熱酸化により酸化膜11(具体的にはGa2Ox(0<x≦3))が形成されている。これにより、多孔質構造9におけるAlGaN表面が大気に直接曝されることがなくなるので、第2の実施形態と比べて、素子の信頼性が大幅に向上する。
As shown in FIG. 9, in this embodiment, an oxide film 11 (specifically, Ga 2 O x (specifically) is formed on the semiconductor surface in contact with each void in the
尚、第3の実施形態において、多孔質構造9が形成されたp型AlGaN傾斜組成コンタクト層10におけるAlGaN表面を酸化する場合を例として説明したが、これに限らず、コンタクト層の材質がGaN、AlGaInN又はInGaN等である場合について多孔質構造中の半導体表面を酸化しても同様の効果を得ることができる。
In the third embodiment, the case where the AlGaN surface in the p-type AlGaN gradient
(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。尚、第4の実施形態に係る半導体発光素子が第1の実施形態(図1(a)、(b)及び図4参照)と異なっている点は、p型GaNコンタクト層6の多孔質構造9における詳細構造である。すなわち、該詳細構造以外の第4の実施形態の素子構造は第1の実施形態と同じである。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment is different from the first embodiment (see FIGS. 1A, 1B, and 4) in that the porous structure of the p-type
図10は、第4の実施形態に係る半導体発光素子におけるp型GaNコンタクト層6の多孔質構造9の断面構造を模式的に示す図である。
FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
図10に示すように、本実施形態では、p型GaNコンタクト層6の多孔質構造9は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition )法やスパッタ法により形成された保護膜12によって覆われている。この場合、図10に示すように、多孔質構造9の内部までは保護膜12が形成されない。すなわち、保護膜12は、多孔質構造9の表面付近にのみ形成される。しかし、多孔質構造9内のGaN表面が大気に直接曝されることがなくなるので、第1の実施形態と比べて、素子の信頼性が大幅に向上する。
As shown in FIG. 10, in this embodiment, the
尚、第4の実施形態において、保護膜12の種類は特に限定されないが、例えばSiO2 、Al2O3、SiN、TiO2 、ZrO2 、Nb2O5、Ta2 O5 又はGa2O3等から選ばれた材料よりなる単層構造又は多層構造を用いることができる。
In the fourth embodiment, the type of the
(第5の実施形態)
以下、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。尚、第5の実施形態に係る半導体発光素子が第1の実施形態(図1(a)、(b)及び図4参照)と異なっている点は、p型GaNコンタクト層6の多孔質構造9における詳細構造である。すなわち、該詳細構造以外の第5の実施形態の素子構造は第1の実施形態と同じである。
(Fifth embodiment)
Hereinafter, a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment is different from the first embodiment (see FIGS. 1A, 1B, and 4) in that the porous structure of the p-type
図11は、第5の実施形態に係る半導体発光素子におけるp型GaNコンタクト層6の多孔質構造9の断面構造を模式的に示す図である。
FIG. 11 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
図11に示すように、本実施形態では、p型GaNコンタクト層6の多孔質構造9は、透明導電膜(透明電極)13によって覆われている。これにより、多孔質構造9におけるGaN表面が大気に直接曝されることがなくなるので、第1の実施形態と比べて、素子の信頼性が大幅に向上する。また、p側オーミック電極7(図1(a)、(b)参照)からのキャリアの注入をより均一に行なうことができるので、素子の発光効率をより一層向上させることができる。
As shown in FIG. 11, in this embodiment, the
尚、第5の実施形態において、透明導電膜13の材料は特に限定されないが、例えばITO(In2SnO3)やβ−GaO3 等を用いることができる。また、透明導電膜13として、厚さ数nm以下に薄膜化したNi膜とAu膜との積層膜を用いてもよい。
In the fifth embodiment, the material of the transparent
(第6の実施形態)
以下、本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
(Sixth embodiment)
Hereinafter, a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図12は第6の実施形態に係る半導体発光素子の断面構造を示す図面である。 FIG. 12 is a drawing showing a cross-sectional structure of a semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment.
第6の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は以下の通りである。第1の実施形態と同様に、まず、例えばMOCVD法を用いて、ウェハよりなるサファイア基板(図示省略)の上にn型GaN層2(厚さ3.0μm程度)、InGaN多重量子井戸活性層3、p型Al0.15Ga0.85N電子障壁層4(厚さ10nm)、及びp型GaNコンタクト層6(厚さ50nm)を順次形成する。ここで、InGaN多重量子井戸活性層3は、In0.1 Ga0.9 N量子井戸層(厚さ2.5nm)とIn0.02Ga0.98N障壁層(厚さ5nm)との積層構造を3周期分形成したものである。
The method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment is as follows. As in the first embodiment, first, an n-type GaN layer 2 (thickness: about 3.0 μm), an InGaN multiple quantum well active layer is formed on a sapphire substrate (not shown) made of a wafer, for example, using MOCVD. 3. A p-type Al 0.15 Ga 0.85 N electron barrier layer 4 (
次に、p型GaNコンタクト層6の上に全面に亘ってp側オーミック電極7及びAuメッキ層12を順次形成する。その後、例えばサファイア基板側から短パルスの紫外レーザ光を照射することによって、サファイア基板を結晶成長層(前述の各半導体層の積層構造)から剥離する。その後、基板剥離によって露出したn型GaN層2の表面のうち光取り出し部表面上に開口を持つようにn側オーミック電極8を形成し、最後に、n型GaN層2におけるn側オーミック電極8の開口部に露出する部分に対して多孔質化処理を行なって多孔質構造(多孔質化領域)9を形成する。尚、図12は、基板剥離後にn型GaN層2側を上にし且つp型GaNコンタクト層6側を下にして素子の断面構造を示している。
Next, the p-
以上に説明したように、第6の実施形態によると、光取り出し面となる表面を持つn型GaN層2に多孔質構造9が形成されているので、InGaN多重量子井戸活性層3から発せられた光が、n型GaN層2の表面で全反射することを抑止でき、それによって光取り出し効率を向上させることができる。また、多孔質化によって多数の空隙が不規則に形成されるため、素子から放射される光の放射パターンにおいて回折光同士の干渉により特異な放射パターンが生じてしまう事態も回避できる。従って、光取り出し効率が高く且つ放射パターンが良好な半導体発光素子を実現することができる。
As described above, according to the sixth embodiment, since the
また、第6の実施形態によると、n型GaN層2に対する多孔質化処理をウェットエッチングによって行なうことができるので、ドライエッチングに起因してn型GaN層2にダメージが生じるという問題を回避することができる。
Further, according to the sixth embodiment, since the porous processing for the n-
また、第6の実施形態によると、多孔質化されたn型GaN層2の光吸収端波長が、多孔質化される前と比べて短波長側にシフトするので、InGaN多重量子井戸活性層3からの光の吸収が低減され、その結果、光取り出し効率を更に高めることができる。
In addition, according to the sixth embodiment, the light absorption edge wavelength of the n-
また、第6の実施形態によると、素子の製造に当たっては、高度なフォトリソグラフィ技術を用いる必要がないので、歩留りを良くすることができる。 In addition, according to the sixth embodiment, since it is not necessary to use advanced photolithography technology when manufacturing an element, the yield can be improved.
また、第6の実施形態によると、一般にコンタクト抵抗がn側電極よりも大きいp側オーミック電極7を開口部なくp型GaNコンタクト層6の上に全面に亘って形成できるので、動作電圧を低減できる。具体的には、例えば20mAで駆動させる際の動作電圧を3.0Vから2.8Vに低減できた。
Further, according to the sixth embodiment, the p-
また、第6の実施形態によると、p型オーミック電極7の材料として、InGaN多重量子井戸活性層3の発光波長に対して大きい反射率を持つ材料、例えばPt、Rh又はAg等を用いることにより、InGaN多重量子井戸活性層3からAuメッキ層12に向けて出射された光をn型GaN層2に向けて効率的に反射することができるので、光取り出し効率を更に向上させることができる。
Further, according to the sixth embodiment, as a material of the p-
尚、第6の実施形態において、第1の実施形態と同様に、p型AlGaN電子障壁層4とp型GaNコンタクト層6との間にp型AlGaN/GaN歪超格子層を設けてもよい。ここで、p型AlGaN/GaN歪超格子層としては、例えばp型Al0.1 Ga0.9 N層(厚さ1.5nm)とp型GaN層(厚さ1.5nm)との積層構造を50周期分形成したものを用いることができる。
In the sixth embodiment, similarly to the first embodiment, a p-type AlGaN / GaN strained superlattice layer may be provided between the p-type AlGaN
(第7の実施形態)
以下、本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。
(Seventh embodiment)
Hereinafter, a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図13は第7の実施形態に係る半導体発光素子の断面構造を示す図面である。 FIG. 13 is a cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment.
第7の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は以下の通りである。第6の実施形態と同様に、まず、例えばMOCVD法を用いて、ウェハよりなるサファイア基板(図示省略)の上にn型GaN層2(厚さ3.0μm程度)、InGaN多重量子井戸活性層3、p型Al0.15Ga0.85N電子障壁層4(厚さ10nm)、及びp型GaNコンタクト層6(厚さ50nm)を順次形成する。ここで、InGaN多重量子井戸活性層3は、In0.1 Ga0.9 N量子井戸層(厚さ2.5nm)とIn0.02Ga0.98N障壁層(厚さ5.0nm)との積層構造を3周期分形成したものである。
The method for manufacturing the semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment is as follows. Similar to the sixth embodiment, first, an n-type GaN layer 2 (thickness of about 3.0 μm), an InGaN multiple quantum well active layer is formed on a sapphire substrate (not shown) made of a wafer, for example, using MOCVD. 3. A p-type Al 0.15 Ga 0.85 N electron barrier layer 4 (
次に、p型GaNコンタクト層6の上に全面に亘って、例えばITOよりなる透明電極14及び誘電体多層構造15を形成した後、誘電体多層構造15におけるn型GaN層2の光取り出し部の直下領域以外の部分をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する。ここで、誘電体多層構造15は、例えばSiO2 膜(膜厚69nm)とTiO2 膜(膜厚40nm)とを交互に10周期分堆積したものである。その後、誘電体多層構造15の上及び透明電極14の上にAuメッキ層12を形成した後、例えばサファイア基板側から短パルスの紫外レーザ光を照射することによって、サファイア基板を結晶成長層(前述の各半導体層の積層構造)から剥離する。その後、基板剥離によって露出したn型GaN層2の表面のうち光取り出し部表面に開口を持つようにn側オーミック電極8を形成し、最後に、n型GaN層2におけるn側オーミック電極8の開口部に露出する部分に対して多孔質化処理を行なって多孔質構造(多孔質化領域)9を形成する。尚、図13は、基板剥離後にn型GaN層2側を上にし且つp型GaNコンタクト層6側を下にして素子の断面構造を示している。
Next, after forming the
第7の実施形態によると、第6の実施形態と同様の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、InGaN多重量子井戸活性層3からp型GaNコンタクト層6の方向つまりAuメッキ層12の方向に放射された光が誘電体多層構造15により効率よく反射されるので、光取り出し面(n型GaN層2の表面)からの光取り出し効率を更に向上させることができる。
According to the seventh embodiment, in addition to the same effects as in the sixth embodiment, the following effects can be obtained. That is, light emitted from the InGaN multiple quantum well
尚、第7の実施形態において、誘電体多層構造15として、10周期分のSiO2 /TiO2 積層構造を用いたが、これに限られず、誘電体多層構造15の材料又は膜厚等について、InGaN多重量子井戸活性層3からの発光波長に対して高い反射率が得られるように自由に設定することができる。
In the seventh embodiment, the
また、第7の実施形態において、光取り出し面の反対面となる表面を持つp型GaNコンタクト層6の該表面上に、誘電体多層構造15からなる反射膜を形成したが、これに代えて、金属からなる反射膜を形成してもよい。
In the seventh embodiment, the reflective film made of the
また、第7の実施形態において、第1の実施形態と同様に、p型AlGaN電子障壁層4とp型GaNコンタクト層6との間にp型AlGaN/GaN歪超格子層を設けてもよい。ここで、p型AlGaN/GaN歪超格子層としては、例えばp型Al0.1 Ga0.9 N層(厚さ1.5nm)とp型GaN層(厚さ1.5nm)との積層構造を50周期分形成したものを用いることができる。
In the seventh embodiment, a p-type AlGaN / GaN strained superlattice layer may be provided between the p-type AlGaN
また、第7の実施形態において、透明電極14の材料としてITOを用いたが、これに代えて、例えばβ−GaO3 等を用いてもよい。また、透明電極14として、厚さ数nm以下に薄膜化したNi膜とAu膜との積層膜、例えば、厚さ2nmのNi膜と厚さ3nmのAu膜との積層膜を用いてもよい。
Further, in the seventh embodiment, ITO is used as the material of the
さらに、以上に述べた第1〜第7の実施形態において、活性層としてInGaN多重量子井戸活性層3を用い、且つ多孔質構造を作りこむ層としてGaNコンタクト層6又はAlGaN傾斜組成コンタクト層10を用いたが、本発明はこれに限られるものではない。具体的には、本発明の各実施形態の半導体発光素子を構成する各半導体層の材料として窒化物系化合物半導体を用いる場合、例えば一般式BxAlyInzGa1-x-y-zN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦x+y+z≦1)で表される材料を各半導体層に用いても、本発明の各実施形態と同様の効果を得ることができる。このとき、活性層の材料としては、例えば一般式AlxGa1-xN(0≦x≦1)で表される窒化物系化合物半導体を用いてもよい。
Furthermore, in the first to seventh embodiments described above, the InGaN multiple quantum well
また、第1〜第7の実施形態において、InGaN多重量子井戸活性層3から発させらる光の波長(中心波長)が200nm以上で且つ430nmよりも短いと、白色LEDを実現することができる。
In the first to seventh embodiments, when the wavelength (center wavelength) of light emitted from the InGaN multiple quantum well
本発明の半導体発光素子は、単純な表示灯のみならず、蛍光灯や白熱電灯に代わる照明用光源としても利用可能である。 The semiconductor light-emitting device of the present invention can be used not only as a simple indicator lamp but also as an illumination light source in place of a fluorescent lamp or an incandescent lamp.
1 サファイア基板
2 n型GaN層
3 InGaN多重量子井戸活性層
4 p型AlGaN電子障壁層
5 p型AlGaN/GaN歪超格子層
6 p型GaNコンタクト層
7 p側オーミック電極
8 n側オーミック電極
9 多孔質化領域
10 p型AlGaN傾斜組成コンタクト層
11 酸化膜
12 保護膜
13 透明導電膜
14 透明電極
15 誘電体多層構造
DESCRIPTION OF
Claims (22)
前記半導体層の非多孔質化領域の上に電極が設けら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。 The plurality of semiconductor layers include another semiconductor layer that is provided between the active layer and the semiconductor layer and that does not become porous and serves as a current diffusion layer.
The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein an electrode is provided on the non-porous region of the semiconductor layer.
前記基板における前記複数の半導体層が形成されていない側の主面上に金属又は誘電体多層構造からなる反射膜が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 The plurality of semiconductor layers are formed on a substrate;
2. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a reflective film made of a metal or dielectric multilayer structure is formed on a main surface of the substrate where the plurality of semiconductor layers are not formed. 3.
前記各半導体層の多層構造と前記基板とを分離する工程と、
前記多層構造のうち前記活性層からの光を取り出すための光取り出し面となる表面を持つ前記n型半導体層における少なくとも一部分を多孔質化する工程とを備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 Sequentially forming at least an n-type semiconductor layer, a semiconductor layer to be an active layer, and a p-type semiconductor layer on a substrate;
Separating the multilayer structure of each semiconductor layer and the substrate;
And a step of making at least a part of the n-type semiconductor layer having a surface to be a light extraction surface for extracting light from the active layer out of the multilayer structure. Manufacturing method.
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