JP2008066554A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 発光効率の高い半導体発光素子は、発光半導体領域と、電流分散半導体層3と、第1の電極4と、第2の電極とを備えている。平面的に見て第1の電極4の周縁から電流分散半導体層3の主面12の周縁に向かって延びている複数の第1の仮想直線A上に複数の凹部13が形成され、第1の電極4の周縁から電流分散半導体層3の主面12の周縁に向かって延びている複数の第2の仮想直線B上に凹部が形成されていない。電流分散半導体層3の第2の仮想直線Bに対応する部分は電流分散半導体層3の外周方向に電流を流すための通路として機能し、発光効率が向上する。
【選択図】図1
Description
前記発光半導体領域の上に配置され且つ光取り出し面を有している電流分散半導体層と、前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の一部上に配置された第1の電極と、前記主半導体領域の他方の主面に電気的に接続された第2の電極と
を備えた半導体発光素子であって、
平面的に見て前記第1の電極の周縁から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の第1の仮想直線上に凹部が形成され、前記第1の電極の周縁から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の第2の仮想直線上に凹部が形成されていないことを特徴とする半導体発光素子に係わるものである。
また、請求項3に示すように、前記第1の電極は平面的に見て円形中央部と前記円形中央部から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の突出部とから成り、前記複数の第1の仮想直線及び前記複数の第2の仮想直線は前記第1の電極の前記円形中央部の周縁から放射状に延びており、更に、平面的に見て前記第1の電極の前記突出部の周縁から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の第3の仮想直線上に凹部が形成され、前記第1の電極の前記突出部の周縁から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の第4の仮想直線上に凹部が形成されていないことが望ましい。
また、請求項4に示すように、前記第1の電極は前記電流分散半導体層の前記光取り出し面に互いに分離して配置された複数の電極部分から成り、前記複数の第1の仮想直線及び前記複数の第2の仮想直線は、前記第1の電極の前記複数の電極部分の周縁から前記複数の電極部分の相互間の中間位置を示す仮想直線に向かって放射状に延びていることが望ましい。
また、請求項5に示すように、前記複数の第1の仮想直線上に複数の凹部がそれぞれ配置され、前記複数の凹部は前記第1の電極を基準にして同心円状に配置されていることが望ましい。
また、請求項6に示すように、前記電流分散半導体層の前記第1の電極から近い領域における前記凹部の分布密度即ち単位面積における凹部の面積の割合が、前記第1の電極から前記近い領域よりも遠い領域における前記凹部の分布密度よりも低くなるように前記凹部が配置されていることが望ましい。
また、請求項7に示すように、前記凹部の深さは0.2〜4μmであることが望ましい。
また、請求項8に示すように、前記凹部の幅は0.2〜4μmであることが望ましい。
また、請求項9に示すように、更に、前記電流分散半導体層の前記光取り出し面上に配置された光透過性導電膜を有していることが望ましい。
また、請求項10に示すように、更に、前記発光半導体領域の前記光取り出し面と反対の主面に配置された光反射導体層を有していることが望ましい。
複数の第1の仮想直線Aは、平面的に見て円形の第1の電極4の周縁から電流分散半導体層3の一方の主面(光取り出し面)12の周縁に向かって放射状に延びている。複数の第2の仮想直線Bも第1の仮想直線Aと同様に平面的に見て円形の第1の電極4の周縁から電流分散半導体層3の一方の主面12の周縁に向かって放射状に延びており、第1の仮想直線Aの相互間に位置している。複数の凹部13は第1の仮想直線A上に形成されているが、第2の仮想直線B上には形成されていない。第1の仮想直線A上の全反射防止用の凹部13は図2で矢印14で示すように第1の電極4から電流分散半導体層3の外周縁に向かって流れる電流を妨害する。これに対し、第2の仮想直線B上には凹部13が形成されていないので、図3で矢印14で示すように第1の電極4から電流分散半導体層3の外周縁に向かって流れる電流が凹部13によって妨害されず、電流の広がりが良好に生じる。
図1の実施例では全ての凹部13が同一形状を有する。従って、第1〜6番目の仮想同心円の領域内において、電流分散半導体層3の第1の電極4から遠い領域(第5及び第6番目の仮想同心円の領域)における凹部13の分布密度が、第1の電極4に近い領域(第1及び第2番目の仮想同心円の領域)における凹部13の分布密度よりも高い。即ち、図1において鎖線で囲って示す単位面積ΔSに含まれる凹部13の面積の割合は、第1の電極4に近い領域から遠い領域に向かうに従って段階的に大きくなっている。また、単位面積ΔSに含まれる凹部13の数も第1の電極4に近い領域から遠い領域に向かうに従って段階的に大きくなっている。第1の電極4に近い領域即ち電流密度の高い領域において凹部13の分布密度が小さいと、第1の電極4から電流分散半導体層3の一方の主面(光取り出し面)12の周縁方向に流れる電流に対する凹部13の妨害が小さくなり、電流分散半導体層3の一方の主面(光取り出し面)12の周縁方向への電流の広がりが良くなり、光の取り出し効率が向上する。
凹部13の数及び配置、及び第1の仮想直線Aの数は図1に限定されるものではなく、種々変更可能である。例えば、第1番目の仮想同心円の凹部13と第2番目の仮想同心円の凹部13とを連続(一体化)させること、第3番目の仮想同心円の凹部13と第4番目の仮想同心円の凹部13とを連続(一体化)させること、第5番目の仮想同心円の凹部13と第6番目の仮想同心円の凹部13とを連続(一体化)させることができる。
また、第1〜6番目の仮想同心円の外側の仮想円弧における凹部13の分布密度を更に高めるために第1の仮想直線Aの数を更に増加し、この増加した第1の仮想直線Aの上に凹部13を配置することができる。即ち、仮想円弧における凹部13の数を第1〜6番目の仮想同心円における凹部13の数と同様に第1の電極4から離れるに従って段階的に多くすることができる。
また、図1の凹部13は平面形状長方形(四角形)であるが、正方形、円形、楕円形、四角形以外の多角形(例えば三角形)等に変形することができる。
なお、凹部13を第1の電極4の下に形成しないことが望ましい。
凹部深さDが0μmの場合の発光出力は1.00であり、
凹部深さDが0.21μmの場合の発光出力は1.05であり、
凹部深さDが0.44μmの場合の発光出力は1.08であり、
凹部深さDが0.57μmの場合の発光出力は1.11であり、
凹部深さDが1.60μmの場合の発光出力は1.20である。
なお、凹部13を形成することで発光出力が1.00以上になることが確認されているが、凹部13の深さDが深くなり過ぎると、凹部13の全部に光透過性被覆体6を充填することができなくなる虞がある。
まず、n型の不純物が導入されたGaAsから構成される半導体基板1の上に、エピタキシャル成長法により、n型半導体層9と活性層10とp型半導体層11とp型の電流分散半導体層3とを有機金属気相成長(MOCVD)法によって順次にエピタキシャル成長させる。これらのエピタキシャル成長を有機金属気相成長(MOCVD)法以外の分子線エピタキシ(MBE)法、化学ビームエピタキシ(CBE)法、分子層エピタキシ(MLE)法等で行うこともできる。
次に、電流分散半導体層(ウインドウ層)3上に、前述した金属多層膜を真空蒸着法又はスパッタリング法により形成し、しかる後、金属多層膜をフォトリソグラフィー法及びエッチング法等を用いて選択的に除去して電流分散半導体層(ウインドウ層)3の中央に第1の電極4を形成する。次に、n型半導体基板1の他方の主面に、真空蒸着法又はスパッタリング法で第2の電極5を形成する。
次に、図示されていない支持体の上に半導体発光素子を配置し、第1及び第2の電極4、5に対して導体(図示せず)を接続し、しかる後、光透過性樹脂によるモールドによって光透過性被覆体6を形成する。
(1) 平面的に見て第1の電極4の周縁から電流分散半導体層3の光取り出し面としての一方の主面12の周縁に向かって延びている複数の第1の仮想直線A上に凹部13が形成され、第1の電極4の周縁から電流分散半導体層3の光取り出し面としての一方の主面12の周縁に向かって延びている複数の第2の仮想直線B上に凹部13が形成されていない。第1の仮想直線A上の凹部13は電流分散半導体層3の光取り出し面としての一方の主面12における全反射の防止に寄与する。電流分散半導体層3における凹部13が形成されていない第2の仮想直線Bに対応する部分は、凹部13による電流阻止を伴わない電流通路として機能し、第1の電極4の周縁から電流分散半導体層3の周縁方向(横方向)への電流の流れを良好に生じさせる。従って、電流の横方向への広がりを比較的良好に保って光取り出し面における全反射を防止することができ、内部量子効率(内部発光効率)と光の外部取り出し効率との両方を比較的大きくすることができ、比較的大きい光出力を得ることができる。
(2)電流分散半導体層3の一方の主面12の単位面積に含まれる凹部13の面積の合計が、第1の電極4に近い領域で小さく、第1の電極4から遠い領域で大きくなるように凹部13が分布しているので、電流密度の高い第1の電極4に近い領域での凹部13による電流の横方向への広がりの妨害が低減され、電流の横方向への広がりが良好になる。
(3)凹部13が第1の電極4を中心とした複数の同心円上に配置され、且つ第1の電極4から相互に等角度間隔を有して放射状に延びる複数の第1の仮想直線A上に凹部13が配置されているので、電流分散半導体層3の一方の主面12における光の強さの均一性が良い。
(4)凹部13の深さDが、0.2〜4.0μmに設定され、且つ凹部13の幅Wが0.2〜4.0μmに設定されているので、光透過性被覆体6を凹部13に比較的良好に充填できる。
図4に示す本発明の実施例2に従う半導体発光素子は、変形された第1の電極4aと凹部13の変形された配置パターンとを有する他は、図1〜図3の半導体発光素子と同一に構成されている。
第1の電極4a各突出部21の先端は半円形周縁を有しているので、ここから放射線状に延びるパターンに凹部13が形成されている。
図5における凹部13の配置の原理は図1と基本的に同一であるので、図5の実施例3の半導体発光素子によっても図1の実施例1と同様な効果を得ることができる。
図6の光透過性導電膜41と同様なものを図4及び図5の半導体発光素子、及び後述する図7の半導体発光素子に設けることもできる。また、光透過性導電膜41をITO以外の例えば酸化インジウム(In2O3)又は酸化錫(SnO2)又はZnO等で形成することもできる。
図7の実施例5は、図1の実施例1と同様な効果を有する他に、活性層10から光反射導電層50側に放射された光を電流分散半導体層3の一方の主面12側に戻して光の取り出し効率を高めることができるという効果も有する。
(1) 図2、図3及び図6に示す半導体基板1を省いて、発光半導体領域2の他方の主面に第2の電極5を直接に形成することができる。また、図7の光反射導電層50又は貼り合わせ金属層51を第2の電極5として使用することもできる。
(2) 発光半導体領域2の各層9,11及び電流分散半導体層3の導電型を各実施例と逆にすることができる。
(3) 図1において凹部13を同心円状とならないように配置することもできる。
(4) 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。
(5)本発明を発光ダイオード以外の構造を有する電界発光型の半導体発光素子にも適用可能である。
(6)ボンディングパッド機能を有する第1の電極4は、一般的に光不透過性であるので、活性層10の第1の電極4に対向する部分に電流を流し、ここから光を発生させても、この光が第1の電極4で阻止されて外部に取り出すことができない。従って、図1〜図6の実施例において、第2の電極5の第1の電極4に対向する部分を非電極部分即ち切り欠き部分とし、活性層10の第1の電極4に対向する部分に電流が流れることを阻止又は抑制して効率を高めることができる。
(7)図7の実施例において、光反射導電層50又は光反射導電層50と貼り合わせ金属層51における第1の電極4に対向する部分を切り欠き、ここに絶縁体を充填して電流ブロック層を作り、活性層10の第1の電極4に対向する部分に電流が流れることを阻止又は抑制して効率を高めることができる。
(8)電流分散半導体層3を独立して形成しないで、p型半導体層11を厚く形成し、p型半導体層11の上部を電流分散半導体層3として兼用することができる。
(9)電流分散半導体層3を複数の半導体層の複合層とすることができる。複合層の場合には、最も上の層を第1の電極4が低抵抗接触することができる層とすることが望ましい。
(10)発光半導体領域2及び電流分散半導体層3を窒化物半導体等の別の半導体で形成することができる。
(11)凹部13を放射状に延びる長手の溝とすることができる。この場合、1つの第1の仮想直線に1つの長手の凹部(溝)13のみを配置することができる。
(12)図4の第1の仮想直線A1上の凹部13の配置を、図1の第1の仮想直線A上の凹部13の配置の前述した変形例と同様に変えることができる。また、図5の第1及び第3の仮想直線A2、C2上の凹部13の配置を、図1の第1の仮想直線A上の凹部13の配置の前述した変形例と同様に変えることができる。
3 電流分散半導体層
4 第1の電極
5 第2の電極
13 凹部
Claims (10)
- 発光機能を有している発光半導体領域と、
前記発光半導体領域の上に配置され且つ光取り出し面を有している電流分散半導体層と、
前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の一部上に配置された第1の電極と、
前記主半導体領域の他方の主面に電気的に接続された第2の電極と
を備えた半導体発光素子であって、
平面的に見て前記第1の電極の周縁から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の第1の仮想直線上に凹部が形成され、前記第1の電極の周縁から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の第2の仮想直線上に凹部が形成されていないことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第1の電極は平面的に見て円形の周縁を有し、前記複数の第1の仮想直線及び前記複数の第2の仮想直線は前記第1の電極の円形の周縁から放射状に延び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。
- 前記第1の電極は平面的に見て円形中央部と前記円形中央部から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の突出部とから成り、前記複数の第1の仮想直線及び前記複数の第2の仮想直線は前記第1の電極の前記円形中央部の周縁から放射状に延びており、更に、平面的に見て前記第1の電極の前記突出部の周縁から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の第3の仮想直線上に凹部が形成され、前記第1の電極の前記突出部の周縁から前記電流分散半導体層の前記光取り出し面の周縁に向かって延びている複数の第4の仮想直線上に凹部が形成されていないことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記第1の電極は前記電流分散半導体層の前記光取り出し面に互いに分離して配置された複数の電極部分から成り、
前記複数の第1の仮想直線及び前記複数の第2の仮想直線は、前記第1の電極の前記複数の電極部分の周縁から前記複数の電極部分の相互間の中間位置を示す仮想直線に向かって放射状に延び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。 - 前記複数の第1の仮想直線上に複数の凹部がそれぞれ配置され、前記複数の凹部は前記第1の電極を基準にして同心円状に配置されていることを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記電流分散半導体層の前記第1の電極から近い領域における前記凹部の分布密度が、前記第1の電極から前記近い領域よりも遠い領域における前記凹部の分布密度よりも低くなるように前記凹部が配置されていることを特徴とする請求項1又は2又は3又は4又は5記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の深さは0.2〜4μmであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記凹部の幅は0.2〜4μmであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 更に、前記電流分散半導体層の前記光取り出し面上に配置された光透過性導電膜を有していることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載の発光素子。
- 更に、前記発光半導体領域の前記光取り出し面と反対の主面に配置された光反射導体層を有していることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載の発光素子。
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