JP2005277372A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 半導体発光素子1は、n型半導体層15と活性層16とp型半導体層17と第1、第2及び第3の補助層13,14,18とを含む半導体領域2を有する。半導体領域2の光取り出し面として機能する一方の主面11の中央にカソード電極8が接続されている。半導体領域2の他方の主面12にオーミックコンタクト層19とトンネル効果を有する絶縁膜3とを介して光反射層4が結合されている。反射層4には第1及び第2の接合金属層5,6を介してシリコン支持基板7が結合されている。絶縁膜3は光反射層4とオーミックコンタクト層19との間の合金化を抑制する。これにより、光反射層4の反射率が良好に保たれる。
【選択図】 図1
Description
また、発光層から導電性支持基板側に放出された光を金属反射膜によって反射させることができるので、高い発光効率を得ることができる。
光取り出し面として機能する一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第1導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第2導電型半導体層とを少なくとも含んでいる発光用の半導体領域と
前記第1導電型半導体層に電気的に接続された電極と、
前記半導体領域の他方の主面の少なくとも一部にオーミック接触し且つ光透過可能に形成されているオーミックコンタクト層と、
前記オーミックコンタクト層に重ねて配置され且つ光透過可能に形成されている拡散抑制膜と、
前記オーミックコンタクト層及び前記拡散抑制膜を透過した光を前記半導体領域の一方の主面側に反射させるために前記拡散抑制膜に重ねて配置されている導電性光反射層と
を備えていることを特徴とする半導体発光素子に係わるものである。
本発明における半導体発光素子は、完成した発光素子のみでなく、中間製品としての発光チップであってもよい。また、本発明における光は前記半導体領域から放射される光を意味する。また、本発明における前記拡散抑制膜は、前記オーミックコンタクト層の元素と前記光反射層の元素との相互拡散を抑制する膜を意味する。
前記オーミックコンタクト層はNi,Au,Cr,V,Ti,Co,Pd,Ir,Os,Ru、Pt,Al及びCuから選択された少なくとも1つの金属、又はNi,Au,Cr,V,Ti,Co,Pd,Ir,Os,Ru、Pt,Al及びCuから選択された少なくとも1つの金属を含む合金、又はAlGeGa合金、又は3−5族化合物半導体から成ることが望ましい。
成長用基板を用意する工程と、
光を取り出し可能な一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第1導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第2導電型半導体層とを少なくとも含んでいる発光用の半導体領域を前記成長用基板の上に気相成長方法で形成する工程と、
前記半導体領域の他方の主面にオーミック接触し且つ光透過可能な厚みを有しているオーミックコンタクト層を形成する工程と、
光透過可能な拡散抑制膜を前記オーミックコンタクト層に重ねて形成する工程と、
前記オーミックコンタクト層と前記拡散抑制膜とを透過した光を反射する機能を有している導電性光反射層を前記拡散抑制膜に重ねて形成する工程と、
支持基板を前記光反射層に接合する工程と、
前記成長用基板を除去する工程と、
前記第1導電型半導体層に電気的に接続された電極を形成する工程と
を設けることが望ましい。
また、拡散抑制膜としての絶縁膜又は光透過性導電膜が量子力学的トンネル効果を得ることができる厚みに形成されている場合には、拡散抑制膜を介して電流を流すことができ、オーミックコンタクト層と光反射層とを電気的に接続するための特別な接続手段を設けることが不要になり、半導体発光素子のコストの低減を図ることができる。もし、特別な接続手段を設けると、これにより光反射量が低減し、外部発光効率が低下し、また接続手段を形成するための特別な工程が必要になり、半導体発光素子のコストが高くなる。
化学式 AlxGayIn1-x-yP、
ここで、x,yは0≦x≦1、
0≦y≦1、
0≦x+y≦1を満足する数値、
で示される材料であることが望ましい。この実施例の活性層16は、導電型決定不純物が添加されていないAlGaInPから成る。しかし、活性層16にp型半導体層17よりも低い濃度でp型不純物を添加すること、又はn型半導体層15よりも低い濃度でn型不純物を添加することも可能である。また、図1では図示を簡略化するために活性層16が単一の層で示されているが、実際には、周知の多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum-Well)構造、又は単一量子井戸(SQW:Single-Quantum-Well )構造を有する。
また、活性層16を
化学式 AlxGayIn1-x-yN、
ここで、x,yは0≦x≦1、
0≦y≦1、
0≦x+y≦1を満足する数値、
で示される窒化物半導体で構成することもできる。
化学式Alx Gay In1-x-y P、
ここで、x,yは0≦x<1、
0≦y≦1、
0≦x+y≦1を満足する数値、
で示される材料であることが望ましい。活性層16で発生した光を外部に良好に取り出すためにn型半導体層15のAlの割合xは活性層16のAlの割合xよりも大きい値を有し、好ましくは0.15〜0.45、より好ましくは0.2〜0.4である。また、Gaの割合yは好ましくは0.15〜0.35、より好ましくは0.4〜0.6である。n型半導体層15のn型不純物の濃度は5×1017cm-3以上であることが望ましい。n型半導体層15のバンドギャップは活性層16のバンドギャップよりも大きい。
このn型半導体層15を
化学式 AlxGayIn1-x-yN、
ここで、x,yは0≦x≦1、
0≦y≦1、
0≦x+y≦1を満足する数値、
で示される窒化物半導体で構成することもできる。
AlxGayIn1-x-y P、
ここでx,yは0≦x≦1、
0≦y≦1、
0≦x+y≦1を満足する数値、
で示される材料であることが望ましい。活性層16で発生した光を外部に良好に取り出すためにp型半導体層17のAlの割合xは活性層16のAlの割合xよりも大きい値を有し、好ましくは0.15〜0.5の範囲に設定される。p型半導体層17のp型不純物の濃度は例えば5×1017cm-3以上に決定される。p型半導体層17のバンドギャップは活性層16のバンドギャップよりも大きい。
また、p型半導体層17を、
化学式 AlxGayIn1-x-yN、
ここで、x,yは0≦x≦1、
0≦y≦1、
0≦x+y≦1を満足する数値、
で示される窒化物半導体で構成することもできる。
AlxGayIn1-x-yP、
ここで、x,yは0≦x≦1、
0≦y≦1、
0≦x+y≦1を満足する数値、
で示すことができる材料、又は化学式
AlxGayIn1-x-yN、
ここで、x,yは0≦x≦1、
0≦y≦1、
0≦x+y≦1を満足する数値、
で示すことができる材料にn型不純物を添加したものから成る。
絶縁膜3の厚みは、0.2nm〜10nmであることが望ましく、拡散抑制機能と量子力学的トンネル効果とを良好に得るために0.5nm〜5nmであることがより望ましい。即ち、絶縁膜3の厚みを0.5nm以上にすると、導電性を有する光反射層4とオーミックコンタクト層19との合金化を良好に抑制することができる。また、絶縁膜3の厚みを5nm以下にすると、トンネル効果によって光反射層4とオーミックコンタクト層19との間が等価的に接続され、発光素子の電流が絶縁膜3を介して流れる。
(1) 光反射層4とオーミックコンタクト層19との間にトンネル効果を有する絶縁膜3が形成されているため、製造プロセス中の種々の熱処理工程において光反射層4とオーミックコンタクト層19との間に生じる相互拡散に基づく合金化反応を阻止又は抑制することができる。もし、合金化部分が生じると、反射率が低下するが、本実施形態ではこのような問題が生じない。このため、高い発光効率を有する発光素子を、容易に且つ高い歩留まりで生産することができる。
(2)絶縁膜3はトンネル効果を有するので、光反射層4とオーミックコンタクト層19との間に特別な接続箇所を設けることが不要になり、光反射層4の光反射に寄与する部分の面積が大きくなり、反射量が増大し、発光効率が向上する。
(3)絶縁膜3はスパッタリング又CVD又は蒸着等の絶縁材料を被着する方法によって形成されているので、光反射膜4とオーミックコンタクト層19との合金化反応を良好に抑制又は阻止することができる。
(4)オーミックコンタクト層19を半導体領域2の他方の主面12の実質的に全部に設けるので、オーミックコンタクト層19を部分的に設ける前記特許文献1の半導体発光素子に比べて半導体領域2の他方の主面12の平坦性が良くなり、シリコン支持基板7の貼り合せを良好に達成することができる。
(5)オーミックコンタクト層19を部分的に設けることが不要になるので、オーミックコンタクト層19を部分的に設けるためのパターニングが不要になり、製造工程が簡素化される。
(6)活性層16と一方の主面11との間にn型半導体層15、n型の第1及び第2の補助層13、14が配置されているので、電流拡散作用を良好に得ることができる。即ち、半導体領域2における横方向への電流はp型半導体よりもn型半導体において流れ易い。このため、カソード電極8から活性層16の外周側への電流拡散が従来のp型半導体層を光取り出し面としたよりも良好になり、発光効率が向上する。また、この実施例1では、一方の主面11と活性層16との間のn型半導体層15とn型の第1及び第2の補助層13、14との合計の厚みが活性層16とオーミックコンタクト層19との間のp型半導体層17とp型の第3の補助層18との合計の厚みよりも大きいので、カソード電極8から活性層16の外周側への電流拡散が良好になり、発光効率が向上する。
図4の半導体発光素子1bは、図6に示す貼り合せ工程を含んで製造される。オーミックコンタクト層19の開口22は所定のパターンにオーミックコンタクト層19のための材料を被着させること、又は被着後に所定のパターンにエッチングすることによって得る。
-
なお、図3、図4、及び図6〜図9の絶縁膜3の代わりに図10の光透過性導電膜3aを設けることもできる。
(1)半導体領域2又は2aの機械的強度が十分な場合は、図1、図4、図8、図9の支持基板7及び図3、図4の支持基板7aを省くことができる。この場合には光反射層4がカソード電極として機能する。
(2)半導体領域2又は2aの各層13,14,15,17,18,19の導電型を各実施例と逆にすることができる。
2,2a 半導体領域
3 絶縁膜
4 光反射層
5,6 第1及び第2の接合金属層
7 シリコン支持基板
8 カソード電極
9 アノード電極
11 一方の主面
12 他方の主面
15 n型半導体層
16 活性層
17 p型半導体層
13,14,18 第1、第2及び第3の補助層
19 オーミックコンタクト層
22 開口
Claims (16)
- 光取り出し可能な一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第1導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第2導電型半導体層とを少なくとも含んでいる発光用の半導体領域と
前記第1導電型半導体層に電気的に接続された電極と、
前記半導体領域の他方の主面の少なくとも一部にオーミック接触し且つ光透過可能に形成されているオーミックコンタクト層と、
前記オーミックコンタクト層に重ねて配置され且つ光透過可能に形成されている拡散抑制膜と、
前記オーミックコンタクト層及び前記拡散抑制膜を透過した光を前記半導体領域の一方の主面側に反射させるために前記拡散抑制膜に重ねて配置されている導電性光反射層と
を備えていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記オーミックコンタクト層はNi,Au,Cr,V,Ti,Co,Pd,Ir,Os,Ru、Pt,Al及びCuから選択された少なくとも1つの金属、又はNi,Au,Cr,V,Ti,Co,Pd,Ir,Os,Ru、Pt,Al及びCuから選択された少なくとも1つの金属を含む合金、又はAlGeGa合金、又は3−5族化合物半導体から成ることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記拡散抑制膜は量子力学的トンネル効果を得ることが可能な厚みを有している絶縁膜であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁膜はSiO2,TiO2、MgO,NiO,ZnO,AlN,及びSiNから選択された少なくとも1つから成ることを特徴する請求項3記載の半導体発光素子。
- 前記拡散抑制膜は、酸化イジュウム(In2O3)と酸化錫(SnO2)との混合物(ITO)、酸化インジウム(InO)、酸化錫(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、及び酸化ニッケル(NiO)から選択された導電性を有する膜であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体発光素子。
- 前記光反射層は、Al、Ag、Rh、Au、及びCuから選択された少なくとも1つの金属、又はAl、Ag、Rh、Au、及びCuから選択された少なくとも1つの金属を含む合金から成ることを特徴とする請求項1又は2又は3記載の半導体発光素子。
- 前記電極は前記半導体領域の一方の主面の一部分の上に配置され且つ光透過不可能に形成されており、
前記オーミックコンタクト層は前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向している部分には設けられていないか又は第1の密度で設けられ且つ前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向していない部分には前記第1の密度よりも大きい第2の密度で設けられていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体発光素子。 - 前記拡散抑制膜は、前記オーミックコンタクト層を覆う部分と前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向する部分を覆う部分とを有していることを特徴とする請求項7記載の半導体発光素子。
- 更に、前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向する部分に非オーミック接触している合金層を有し、前記合金層は前記光反射層を形成する金属を含む合金であることを特徴とする請求項7又は8記載の半導体発光素子。
- 更に、前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向する部分に配置されたオーミック接触防止用絶縁層を有し、前記オーミックコンタクト層は前記オーミック接触防止用絶縁層オーミック接触防止用絶縁層を覆う部分を有していることを特徴とする請求項7又は8又は9記載の半導体発光素子。
- 更に、前記光反射層に結合された支持基板を有していることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 前記支持基板は導電性を有する基板であることを特徴とする請求項11記載の半導体発光素子。
- 更に、前記支持基板に結合された別の電極を有していることを特徴とする請求項12記載の半導体発光素子。
- 更に、前記半導体領域の一方の主面に配置され且つ前記電極に接続された光透過性電極を有していることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の半導体発光素子。
- 成長用基板を用意する工程と、
光を取り出し可能な一方の主面とこの一方の主面と反対側の他方の主面とを有し且つ前記一方の主面側に配置された第1導電型半導体層と前記他方の主面側に配置された第2導電型半導体層とを少なくとも含んでいる発光用の半導体領域を前記成長用基板の上に気相成長方法で形成する工程と、
前記半導体領域の他方の主面にオーミック接触し且つ光透過可能な厚みを有しているオーミックコンタクト層を形成する工程と、
光透過可能な拡散抑制膜を前記オーミックコンタクト層に重ねて形成する工程と、
前記オーミックコンタクト層と前記拡散抑制膜とを透過した光を反射する機能を有している導電性光反射層を前記拡散抑制膜に重ねて形成する工程と、
支持基板を前記光反射層に接合する工程と、
前記成長用基板を除去する工程と、
前記第1導電型半導体層に電気的に接続された電極を形成する工程と
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。 - 前記電極は前記半導体領域の一方の主面の一部分の上に配置され且つ光透過不可能に形成されており、
前記オーミックコンタクト層は前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向している部分には設けられていないか又は第1の密度で設けられ且つ前記半導体領域の他方の主面の前記電極に対向していない部分には前記第1の密度よりも大きい第2の密度で設けられていることを特徴とする請求項15記載の半導体発光素子の製造方法。
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