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Description
本発明は、例えばAlGaAs系、AlGaInP系、GaN系等の半導体から成る発光半導体領域を含む半導体発光素子に関する。
近年、発光半導体領域を構成するAlGalnP系等の結晶を有機金属気相成長法即ちMOVPE( Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)で成長させることができるようになり、高輝度な半導体発光素子を製造することが可能になった。ところで、半導体発光素子の光出力は、内部量子効率(内部発光効率)と、半導体発光素子内からモールド樹脂を通して大気中に取り出される光の効率を示す光取り出し効率の積で決まる。従って、半導体発光素子の光出力を高めるために光取り出し効率を高めることも重要である。光取り出し効率の向上を妨害する要因の1つとして、光取り出し面における全反射による光の外部取り出し量の低減がある。例えば、半導体発光素子において周知の電流分散半導体層(又はウインドウ層)の光取り出し面をエポキシ樹脂等の透明樹脂で封止した場合、電流分散半導体層と透明樹脂との屈折率差によって全反射が発生すると、光の外部取り出し量が低減し、望んだほどの発光効率を得ることができない。
この問題を解決するために、半導体発光素子の光取り出し面に微小凹凸(粗面)を形成して、全反射を防止することが例えば特開平10−200162号公報(特許文献1)に開示されている。しかし、特許文献1の光取り出し面における微小凹凸はランダムに形成されているため、半導体発光素子の総合効率を十分に高めることができなかった。即ち、半導体発光素子のカソード又はアノードとして機能するボンディングパッド電極は光取り出しの妨害を少なくするために半導体発光素子の光取り出し面の一部(例えば中央)のみに形成されており、ボンディングパッド電極からの電流は電流分散半導体層(ウインドウ層)を介して活性層の全領域に分散される。しかし、電流分散半導体層(ウインドウ層)に形成された凹部は絶縁体として機能すること及び凹部を形成したために電流分散半導体層の凹部の下の部分が薄くなることにより、電流分散半導体層の横方向の抵抗が大きくなり、電流の横方向の広がり(分散)が悪くなり、電流がボンディングパッド電極の近傍に集中して流れ、活性層の全領域に分散して流れないので、望んだほどの発光効率を得ることができない。この問題を解決するために電流分散半導体層(ウインドウ層)を厚く形成することが考えられるが、電流分散半導体層(ウインドウ層)を厚く形成すると、この成長時間が長くなり、大幅なコストアップとなる。また、電流分散半導体層(ウインドウ層)の抵抗率を零にすること、及び光透過率を100パーセントにすることは不可能であるので、電流分散半導体層(ウインドウ層)を厚くすると必然的に電流分散半導体層(ウインドウ層)の抵抗の増大による電力損失の増加、及び光取り出し効率の低下を招く。
電流分散半導体層と透明樹脂との屈折率差による全反射を防止すると共に電流の横方向の広がりを良好にするために、電流分散半導体層の表面に凹部を設けると共に、例えば特開平1−225178号公報(特許文献2)に開示されている周知のITO(Indium Tin Oxide)などの透明導電膜を電流分散半導体層の表面に設けることが考えられる。しかし、透明導電膜は極薄い膜であるので、凹部の段差にて断線し易く、電流拡散効果を良好に得ることが困難である。
特開平10−200162号公報
特開平1−225178号公報
本発明が解決しようとする課題は、電流分散半導体層(ウインドウ層)に全反射防止用の凹部をランダムに設けると電流の横方向の広がりが妨害され、発光効率が低下することである。従って、本発明の目的は全反射防止用の凹部を設けたにも拘わらず、電流の横方向の広がりを比較的良好に保つことができる半導体発光素子を提供することである。
上記課題を解決するための本発明は、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、前記発光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。
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。
なお、請求項2に示すように、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が望ましい。
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。
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。
本願の各請求項の発明に従う半導体発光素子においては、平面的に見て前記第1の電極の周縁から電流分散半導体層の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、第1の電極の周縁から電流分散半導体層の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。第1の仮想直線上に複数の凹部は電流分散半導体層の光取り出し面における全反射の防止に寄与する。しかし、第2の仮想直線上に凹部が形成されていないので、電流は凹部に妨害されずに第2の仮想直線に沿って第1の電極の周縁から電流分散半導体層の周縁方向(横方向)に流れる。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有する半導体発光素子を提供することができる。
次に、本発明の実施形態を図1〜図7を参照して説明する。
図1〜図3に示す本発明の実施例1に従うダブルへテロ接合型半導体発光素子は、大別して、導電性を有する半導体基板1と、発光半導体領域2と、電流分散半導体層3と、電流分散半導体層3の上に形成されたボンディングパッド機能を有する第1の電極4と、半導体基板1の下面に形成された第2の電極5と、鎖線で示す光透過性被覆体6とを備えている。次に図1〜図3の各部を詳しく説明する。
導電性を有する半導体基板1は、発光半導体領域2の成長基板及びこの機械的支持基板としての機能を有するものであって、n型不純物が添加されたGaAsから成り、一方の主面7と他方の主面8とを有する。この実施例では半導体基板1がGaAsから成るが、この代りに別の3−5族化合物半導体、又はシリコン(Si)、又は炭化ケイソ(SiC)等を使用することもできる。
導電性を有する半導体基板1の一方の主面7上に配置された発光半導体領域2は、n型クラッド層と呼ぶこともできるn型半導体層9と活性層10とp型クラッド層と呼ぶこともできるp型半導体層11とから成る。発光半導体領域2の各層9,10、11及びこの上の電流分散半導体層3は周知の気相エピタキシャル成長法(例えば有機金属気相成長法即ちMOVPE法)で連続的に形成されている。なお、半導体基板1と発光半導体領域2との間にバッファ層を介在させるこもできる。
n型半導体層9は例えばn型不純物が例えば5×1017cm-3程度の濃度に添加されたAlGaInP(アルミニウムーガリウムーインジウムーリン)から成り、例えば2μm程度の厚みを有し、導電性を有する半導体基板1に電気的及び機械的に結合されている。
n型半導体層9の上に配置された活性層10は、ここに注入された正孔と電子との再結合によって発光する部分であり、例えばアンドープのAlGaInPで構成され、例えば0.5μm程度の厚みを有する。なお、活性層10を単一のアンドープ半導体層で構成する代わりに、障壁層と井戸層とを交互に複数回繰返して配置した周知の多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum-Well)構造、又は障壁層を対の井戸層で挟んだ構成の周知の単一量子井戸構造とすることができる。また、活性層10を省いてn型半導体層9とp型半導体層11とを直接に接触させることもできる。
活性層10の上に配置されたp型半導体層(p型クラッド層)11は、例えばp型不純物が5×1017cm-3程度に添加されたAlGaInPから成り、例えば2μm程度の厚みを有する。なお、n型半導体層(n型クラッド層)9及びp型半導体層(p型クラッド層)11をそれぞれ構成するAlGaInP中のAl組成比は、活性層10を構成するAlGaInP中のAl組成比よりも大きく設定されている。
p型半導体層(p型クラッド層)11の上に配置された電流分散半導体層(ウインドウ層)3は、例えばp型不純物が1×1018cm-3程度の濃度で添加されたGaP(ガリウムーリン)から成り、1μm程度以上の厚みを有する。なお、電流分散半導体層3の好ましい厚みの範囲は1μm〜10μm、より好ましい厚みの範囲は1〜5μmである。電流分散半導体層3の厚みが1μmよりも薄くなると電流分散を良好に得ることができなくなり、10μmよりも厚くなると電流分散半導体層3の成長時間が長くなり、半導体発光素子のコストが高くなる。
電流分散半導体層3の光取り出し面として機能する一方の主面12に、光取り出し面における光の全反射を防止するための多数の凹部13が形成されている。多数の凹部13はランダムに配置されずに、本発明に従う特定パターンに配置されている。多数の凹部13の詳細は後述する。
ボンディングパッド機能を有する第1の電極4は、図1から明らかなように平面的に見て4角形に形成された電流分散半導体層3の一方の主面12の中央に配置され、平面的に見て円形の外周縁を有する。この第1の電極4はアノード電極として機能するものであって、例えば金―ベリリウムーチタン(Au−Be−Ti)層あるいは金―クロム(Au−Cr)層と金(Au)層とからなる金属多層膜で構成されている。このボンディングパッド機能を有する第1の電極4は、光不透過性を有している。なお、第1の電極4を上記金属多層膜で形成する代わり、電流分散半導体層3に低抵抗接触する更に別の金属で形成することができる。この第1の電極4には、図示されていない金属ワイヤ又は接続導体がボンデイングされる。
導電性を有する半導体基板1の他方の主面8に形成された第2の電極5は、半導体発光素子のカソード電極として機能する。発光半導体領域2の外周部分への電流の分散を良好にするために半導体基板1の他方の主面8の全体又は半導体基板1の他方の主面8の少なくとも外周部分に形成することが望ましい。この第2の電極5は金一ゲルマニウム合金(Au−Ge)膜で形成されている。しかし、第2の電極5をAu−Ge以外の半導体基板1に低抵抗接触することが可能な例えばAu−Ge、ニッケル(Ni)、金(Au)から成る金属多層膜等の別の金属で形成することもできる。
光透過性被覆体6は発光半導体領域2及び電流分散半導体層3を保護するものであり、光透過性のモールド樹脂から成り、電流分散半導体層3の一方の主面12を覆うように形成されている。
次に、電流分散半導体層3の一方の主面12に形成された全反射防止用の凹部13を詳しく説明する。なお、図1において鎖線で示す複数の第1の仮想直線Aと複数の第2の仮想直線Bを使用して凹部13のパターンを説明する。
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。
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1において第1の仮想直線Aの合計数は72である。72個の第1の仮想直線A上に凹部13がそれぞれ形成されているが、全ての第1の仮想直線Aに同数の凹部13が形成されていない。第1の仮想直線A上の最も少ない凹部13の数は2個であり、最も多い凹部13の数は9個である。多数の凹部13は複数の仮想同心円の上に配置されている。即ち、6個の仮想同心円の上と、6個の仮想同心円の外側の3個の仮想円弧の上に凹部13が配置されている。第1の電極4に最も近く且つ最も径の小さい第1番目の仮想同心円及びこの外側の第2番目の仮想同心円に配置された凹部13の数は18個であり、第2番目の仮想同心円の外側の第3番目の仮想同心円及び第4番目の仮想同心円に配置された凹部13の数は36個であり、第4番目の仮想同心円の外側の第5番目の仮想同心円及び最も径の大きい第6番目の仮想同心円に配置された凹部13の数は72個である。従って、第1〜第6番目の仮想同心円上の凹部13の数は第1の電極4から離れるに従って段階的に増大している。 電流分散半導体層3の一方の主面(光取り出し面)12の周縁は平面形状四角形であるので、最も径の大きい同心円よりも外側では同心円を描くことができない。従って、最も径の大きい第6番目の仮想同心円よりも外側では仮想同心円の一部が切り欠けた仮想円弧上に凹部13が配置されている。仮想円弧においては、これを横切る全ての第1の仮想直線A上に凹部13が配置されている。
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。
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13は、その底部が活性層10に達しないようにすべきであり、その深さDは、例えば0.2〜4μmであることが望ましい。また、凹部13の深さDは、電流分散半導体層3の厚さの20〜100パーセントであることが望ましい。この凹部13の深さDは、全反射防止による光の取り出し効率の向上と光透過性被覆体6の凹部13に対する充填性とを考慮して決定される。
凹部13の深さDと発光出力の相対値との関係は次の通りである。
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。
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。
電流分散半導体層3の凹部13の幅Wは、0.2〜4.0μmであることが望ましい。狭い方がより多くの凹部13を形成することができ、より明るさを向上させることができる。しかし、フォトリソグラフィー技術等によりパターンを形成する場合、凹部13の幅Wをあまりに狭くすると、凹部13の製造が困難になり、コストの増大を招く。また、凹部13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。従って、コストを考慮した凹部13のより望ましい幅Wは1〜4μmである。
次に、図1〜図3に示す本発明の実施例1に従う半導体発光素子の製造方法の一例を説明する。なお、以下に示す製造方法は一例であり、勿論これ以外の方法でも図1〜図3に示す半導体発光素子を製造することができる。
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。
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。
更に詳しく説明すると、TMA(トリメチルアルミニウム)と、TEG(トリエチルガリウム)と、TMIn(トリメチルインジウム)と、PH3(フォスフイン)とを原料として用い、例えば、(AlXGa1-X)yInl-yP(0.3≦x≦1、0.3≦y≦0.6)の組成を有するn型半導体層9を形成する。ここで、n型のドーパントガスとしては、例えば、SiH4(モノシラン)、Si2H6(ジシラン)、DESe(ジエチルセレン)、DETe(ジエチルテルル)等を用いることができる。次に、n型半導体層9よりもアルミニウム組成の低い、(AlXGa1-X)yInl-yP(0.2≦x<1、0.3≦y≦0.6)の組成を有する活性層10を形成する。この活性層10の形成時には、ドーパントガスは用いない。次に、活性層10よりもアルミニウム組成の高いAlXGa1-X)yInl-yP(0.3≦x≦1、0.3≦y≦0.6)の組成を有するp型半導体層11を形成する。ここで、p型不純物を導入するために、例えば、DEZn(ジエチル亜鉛)、CP2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)等のドーパントガスを用いるか、或いは固体のベリリウム(Be)を用いる。次に、TEG及びPH3を導入してp型の不純物が添加されたGaPから成る電流分散半導体層(ウインドウ層)3を形成する。ここで、PH3のかわりにTBP(ターシャリーブチルフォスィン)を用いることもできる。
次に、電流分散半導体層(ウインドウ層)3上に、フォトレジスト等を塗布し、公知のフォトリソグラフィー法やナノインプリント法などにより凹部13の配置に対応した放射状のパターンを形成し、ドライエッチング又はウエットエッチング等により、凹部13を形成する。
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。
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。
実施例1は次の効果を有する。
(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。
(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。
次に、図4に示す本発明の実施例2に従う半導体発光素子を説明する。但し、図4及び後述する図4〜7において、図1〜図3と実質的に同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
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。
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は平面的に見て円形中央部20とこの円形中央部20から電流分散半導体層3の平面的形状四角形の一方の主面12の周縁に向かって延びている4個の突出部21から成る。円形中央部20から電流分散半導体層3の一方の主面12の周縁に向かって延びている複数の第1の仮想直線A1及び複数の第2の仮想直線B1は図1の複数の第1の仮想直線A及び複数の第2の仮想直線Bの一部と同様に示されている。また、図4の複数の第1の仮想直線A1上には図1の第1〜第6の仮想同心円における凹部13の配列の一部と同様な配列で凹部13が形成されている。即ち、凹部13の数が第1の電極4aから離れるに従って段階的に多くなるように凹部13が仮想円弧上に配置されている。
図4には第1の電極4a各突出部21の直線的に延びる周縁に対して直角に延びている複数の第3の仮想直線C1及び複数の第4の仮想直線D1とが示されている。第3の仮想直線C1上には凹部13が形成されているが、第4の仮想直線D1上には凹部13が形成されていない。従って、電流分散半導体層3の第4の仮想直線D1に沿う部分は第1の電極4aから電流分散半導体層3の外周縁方向への電流通路として機能する。
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。
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4の第1及び第3の仮想直線A1,C1上の凹部13は図1の第1の仮想直線A上の凹部13と同様に機能し、図4の第2及び第4の仮想直線B1,D1に沿う部分は図1の第2の仮想直線Bに沿う部分と同様に機能する。従って、図4の実施例2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5に示す本発明の実施例3に従う半導体発光素子は、変形された第1の電極4b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。
図5の第1の電極4b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に互いに分離して配置された第1及び第2の電極部分4b1、4b2から成る。第1及び第2の電極部分4b1、4b2は平面的に見て1/4の円弧状にそれぞれ形成され、電流分散半導体層3の四角形の一方の主面12の対角線上の2つの角の近傍に配置されている。また、第1及び第2の電極部分4b1、4b2の円弧状の外周縁が互いに対向するように第1及び第2の電極部分4b1、4b2が配置されている。即ち、図5の電流分散半導体層3の一方の主面12に示されている対角線30を基準にして第1及び第2の電極部分4b1、4b2は対称に配置されている。第1及び第2の電極部分4b1、4b2は図示されていない導体によって相互に接続され、半導体発光素子の一方の電極(アノード)として機能する。
図5において、複数の第1の仮想直線A2及び複数の第2の仮想直線B2は第1の電極部分4b1から対角線30に向って放射線状に延びている。複数の第3の仮想直線C2及び複数の第4の仮想直線D2は第2の電極部分4b2から対角線30に向って放射線状に延びている。第1及び第3の仮想直線A2、C2上には図1と同様なパターンで凹部13が形成されている。即ち、第1及び第2の電極部分4b1,4b2から対角線30に向って凹部13の分布密度が段階的に高くなっている。更に詳しくは、第1の電極部分4b1と対角線30との間、及び第2の電極部分4b2と対角線30との間における1/4の円周(90度の円周)を有する第1〜第7番目の仮想円弧上に凹部13が配置されている。第1及び第2の電極部分4b1,4b2に近い第1〜第2番目の仮想円弧上には9個の凹部13が配置され、第3〜第5番目の仮想円弧上には19個の凹部13が配置され、対角線30に近い第6〜第7番目の仮想円弧上には37個の凹部13が配置されている。また、第7番目の仮想円弧と対角線30との間における1/4の円周(90度の円周)よりも小さい仮想円弧上にも凹部13が配置されている。
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に示す本発明の実施例4に従う半導体発光素子は、追加された光透過性導電膜41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。
光透過性導電膜41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上に配置され、電流分散半導体層3に対して電気的に接続されていると共に第1の電極4にも接続されている。光透過性導電膜41は、例えば、インジウム・錫・オキサイド即ちITO(Indium Tin Oxide)で極めて薄く(例えば0.1μm)形成されている。凹部13を有する電流分散半導体層3の一方の主面12に光透過性導電膜41を形成すると、凹部13の段差で光透過性導電膜41が切断される虞がある。しかし、図1の第2の仮想直線Bには凹部が形成されていないので、第2の仮想直線Bの上での光透過性導電膜41の断線は生じない。従って、第2の仮想直線B上の光透過性導電膜41によって第1の電極4から電流分散半導体層3の外周縁方向に電流を良好に流すことが可能になる。なお、図6に示す実施例4は、図1と同様に形成された凹部13を有するので図1の実施例と同様な効果も有する。
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に示す本発明の実施例5に従う半導体発光素子は、追加された光反射導電層50と貼り合わせ金属層51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。
光反射導電層50はAg(銀)又はAl(アルミニウム)等の金属からなり、発光半導体領域2の他方の主面52に配置されている。発光半導体領域2は導電性を有する半導体基板1とは別の成長基板(図示せず)を使用して形成したものである。光反射導電層50を伴った発光半導体領域2は貼り合わせ金属層51を介して半導体基板1に機械的及び電気的に結合されている。成長基板(図示せず)は発光半導体領域2と半導体基板1との貼り合わせ後に除去される。
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。
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。
本発明は、上記の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
(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。
(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。
2 発光半導体領域
3 電流分散半導体層
4 第1の電極
5 第2の電極
13 凹部
3 電流分散半導体層
4 第1の電極
5 第2の電極
13 凹部
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