JP2008159664A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】製造効率を不当に低下させること無く光の取り出し効率を高めることが可能な半導体発光素子を提供すること。
【解決手段】正孔と電子とが再結合することにより発光可能とされた活性層３と、活性層３を挟んで配置されたｎ型半導体層１およびｐ型半導体層２と、ｎ型半導体層１に導通するｎ側電極４と、ｐ型半導体層のうち活性層３とは反対側の表面に設けられており、厚さ方向視においてｐ型半導体層２よりも小とされているｐ側電極５と、を備えており、活性層３から少なくともｐ型半導体層２を透して光を出射する構成とされた半導体発光素子Ａであって、ｐ型半導体層２は、活性層３寄りに位置する高屈折率層２１と、ｐ側電極５および高屈折率層２１によって挟まれており、かつ厚さ方向において平均された屈折率が高屈折率層２１の屈折率よりも小さい低屈折率層２２とを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえばｎ−ＧａＡｓおよびｐ−ＧａＰをその材質に含む半導体発光素子に関する。

図５は、従来の半導体発光素子の一例を示している。同図に示された半導体発光素子Ｘは、ｎ型半導体層９１、ｐ型半導体層９２、活性層９３、ｎ側電極９４、およびｐ側電極９５を備えており、赤色光または黄色光を発する構成とされている。ｎ型半導体層９１は、ｎ−ＧａＡｓ基板９１ａにたとえばＳｅがドープされたＡｌ_0.7Ｇａ_0.3ＩｎＰからなるｎ−クラッド層９１ｂが形成された構造とされている。ｐ型半導体層９２は、たとえばｐ−ＧａＰからなるウインドウ層９２ａと、たとえばＺｎがドープされたＡｌ_0.85Ｇａ_0.15ＩｎＰからなるｐ−クラッド層９２ｂとが積層された構造とされている。活性層９３は、いわゆるＭＱＷ（Multiple-Quantum Well:多重量子井戸）構造とされており、ＧａＩｎＰからなる複数の井戸層とＡｌ_0.6Ｇａ_0.4ＩｎＰからなる複数のバリア層とが積層されている。ｎ側電極９４は、ｎ−ＧａＡｓ基板９１ａの裏面に形成されており、ｎ型半導体層９１を介して活性層９３に電子を供給するための電極である。ｐ側電極９５は、ウインドウ層９２ａの表面の一部を覆うように形成されており、ｐ型半導体層９２を介して活性層９３に正孔を供給するための電極である。活性層９３から発せられた光Ｌは、ｐ型半導体層９２を通して出射される。

しかしながら、半導体発光素子Ｘの発光効率を高めるためには、活性層９３からの光の取り出し効率を高める必要がある。光の取り出し効率とは、活性層９３において生じた光のうち、ｎ型半導体層９２から半導体発光素子Ｘ外へと出射される割合をいう。光の取り出し効率を低下させる一因は、ウインドウ層９２ａと空気との間の全反射である。ウインドウ層９２ａを形成するｐ−ＧａＰは、その屈折率が３．４５程度と比較的大きい。このため、ウインドウ層９２ａと空気との界面における臨界角が小さくなり、この界面において全反射される光の割合が大きくなる。全反射される光の割合を小さくすることにより光の取り出し効率を高めるためには、たとえばウインドウ層９２ａの厚さを２０μｍ以上と比較的厚いものとする必要があった。このようなウインドウ層９２ａをたとえばＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて成長させるには長時間を要するため、半導体発光素子Ｘの製造効率を低下させることとなっていた。

特開２００４−３５６２７９号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、製造効率を不当に低下させること無く光の取り出し効率を高めることが可能な半導体発光素子を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される半導体発光素子は、正孔と電子とが再結合することにより発光可能とされた活性層と、上記活性層を挟んで配置された第１型半導体層および第２型半導体層と、上記第１型半導体層に導通する第１電極と、上記第２型半導体層のうち上記活性層とは反対側の表面に設けられており、厚さ方向視において上記第２型半導体層よりも小とされている第２電極と、を備えており、上記活性層から少なくとも上記第２型半導体層を透して光を出射する構成とされた半導体発光素子であって、上記第２型半導体層は、上記活性層寄りに位置する高屈折率層と、上記第２電極および上記高屈折率層によって挟まれており、かつ厚さ方向において平均された屈折率が上記高屈折率層の屈折率よりも小さい低屈折率層とを有していることを特徴としている。

このような構成によれば、上記高屈折率層から上記低屈折率層へと入射する場合の臨界角、および上記低屈折率層から空気へと入射する場合の臨界角の双方を、上記高屈折率層から空気へと直接入射する場合の臨界角よりも大きくすることが可能である。したがって、上記活性層からの光が上記高屈折率層、上記低屈折率層、および空気の界面において全反射される割合を小さくすることが可能であり、光の取り出し効率を高めることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記低屈折率層は、複数の第１低屈折率層と、第１低屈折率層よりも屈折率が大きい複数の第２低屈折率層とが交互に積層されており、上記高屈折率層には、上記第２低屈折率層が接している。このような構成によれば、上記第２低屈折率層の材料として上記高屈折率層の材料と比較的格子定数が近いものを選定しつつ、上記第１低屈折率層の材料として、屈折率ができるだけ小さいものを選定することが可能である。これは、上記低屈折率層の屈折率を上記高屈折率層の屈折率よりも小としつつ、上記低屈折率層の製造を容易とするのに適している。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記複数の第１低屈折率層は、上記高屈折率層寄りにあるものの厚さの方が、上記第２電極寄りにあるものの厚さよりも小とされており、上記複数の第２低屈折率層は、上記高屈折率層寄りにあるものの厚さの方が、上記第２電極寄りにあるものの厚さよりも大とされている。このような構成によれば、上記低屈折率層の屈折率の厚さ方向における分布は、上記高屈折率層に近づくほど比較的大きな値が占める割合が大きくなる。これにより、上記低屈折率層のうち上記高屈折率層に近い部分の屈折率を上記高屈折率層の屈折率に近づけるとともに、上記低屈折率層のうち空気に近い部分の屈折率を空気の屈折率に近づけることが可能である。したがって、光の取り出し効率を高めるのに有利である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る半導体発光素子の一例を示している。本実施形態の半導体発光素子Ａは、ｎ型半導体層１、ｐ型半導体層２、活性層３、ｎ側電極４、およびｐ側電極５を備えている。半導体発光素子Ａは、活性層３から発せられた赤色または黄色などの光をｐ型半導体層２を透して出射可能に構成されている。

ｎ型半導体層１は、活性層３に対して電子を注入するためのものであり、本発明で言う第１型半導体層の一例である。ｎ型半導体層１は、ｎ−ＧａＡｓ基板１１およびｎ−クラッド層１２からなる。ｎ−ＧａＡｓ基板１１は、ＧａＡｓにＳｉがドープされることによりｎ型半導体とされた材料からなる基板であり、半導体発光素子Ａを形成するための土台として用いられる。ｎ−クラッド層１２は、ｎ型半導体層１のうち活性層３と隣り合う部分であり、活性層３に正孔を閉じ込めるために設けられている。ｎ−クラッド層１２は、たとえばＡｌ_0.7Ｇａ_0.3ＩｎＰまたはＡｌＩｎＰなどにＳｅがドープされることによりｎ型半導体とされた材料からなり、その厚さが４００〜１０００ｎｍ程度とされている。

ｎ側電極（第１電極）４は、ｎ型半導体層１のうち活性層３とは反対側に位置する面、すなわちｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏面に形成されており、半導体発光素子Ａに供給される電子を受ける電極である。ｎ側電極４は、Ａｌなどの導電体からなる。

活性層３は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層であり、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層２とに挟まれている。本実施形態においては、活性層３は、ＭＱＷ構造とされており、複数の井戸層と複数のバリア層とが交互に積層された構造とされている。上記井戸層は、たとえばＧａＩｎＰからなり、その厚さが４．５ｎｍ程度とされる。上記バリア層は、たとえばＡｌ_0.6Ｇａ_0.4ＩｎＰからなり、その厚さが１２ｎｍ程度とされる。本実施形態においては、６５組の上記井戸層および上記バリア層を備えることにより、活性層３全体の厚さが、１０８０ｎｍ程度とされている。活性層３からは、たとえば赤色または黄色の光が発せられる。

ｐ型半導体層２は、活性層３に対して正孔を注入するためのものであり、本発明で言う第２型半導体層の一例である。ｐ型半導体層２は、ｐ−クラッド層２３、ウインドウ層２１、および低屈折率層２２からなる。ｐ−クラッド層２３は、ｐ型半導体層２のうち活性層３と隣り合う部分であり、活性層３に電子を閉じ込めるために設けられている。ｐ−クラッド層２３は、たとえばＡｌ_0.85Ｇａ_0.15ＩｎＰまたはＡｌＩｎＰなどにＺｎがドープされることによりｐ型半導体とされた材料からなり、その厚さが４００〜９００ｎｍ程度とされている。

ウインドウ層２１は、半導体発光素子Ａを流れる電流を活性層３が広がる方向において拡散させる機能と、活性層３から発せられた光を透過させることにより半導体発光素子Ａ外へと出射させる機能とを有する層である。ウインドウ層２１は、たとえばＧａＰにＺｎをドープすることによりｐ型半導体とされたｐ−ＧａＰからなり、その厚さが１０μｍ程度とされている。ウインドウ層２１の材質であるｐ−ＧａＰは、屈折率が３．４５程度である。これにより、ウインドウ層２１は、本発明で言う高屈折率層に相当するものとされている。

低屈折率層２２は、ｐ型半導体層２のうちｐ側電極５と接する部分であり、ウインドウ層２１と隣り合っている。図２に示すように、低屈折率層２２は、複数の第１低屈折率層２２Ａと複数の第２低屈折率層２２Ｂとが交互に積層された構造とされている。第１低屈折率層２２Ａは、たとえばＡｌＩｎＰにＺｎがドープされた材料からなり、その屈折率が３．２９程度である。第２低屈折率層２２Ｂは、たとえば（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5ＰにＺｎがドープされた材料からなり、その屈折率が３．４６程度である。図３は、ウインドウ層２１および低屈折率層２２の厚さ方向における屈折率の分布を示している。本発明においては、低屈折率層２２の平均の屈折率（図３中の二点鎖線）がウインドウ層２１の屈折率よりも小となるように、低屈折率層２２の材質が選定される。また、第１低屈折率層２２Ａの屈折率の方が、第２低屈折率層２２Ｂの屈折率よりも小となるように、第１低屈折率層２２Ａおよび第２低屈折率層２２Ｂの材質が選定される。

低屈折率層２２のうちウインドウ層２１と接する部分は、第２低屈折率層２２Ｂによって構成されている。また、本実施形態においては、低屈折率層２２のうちｐ側電極５と接する部分も、第２低屈折率層２２Ｂによって構成されている。複数の第１低屈折率層２２Ａは、ウインドウ層２１寄りにあるものほど、その厚さが小とされている。一方、複数の第２低屈折率層２２Ｂは、ウインドウ層２１寄りにあるものほど、その厚さが大とされている。複数の第１低屈折率層２２Ａおよび複数の第２低屈折率層２２Ｂは、それぞれが２〜１０層ずつ程度設けられている。低屈折率層２２全体としては、その平均された屈折率が３．３５程度、その厚さが１０〜５００ｎｍ程度とされている。

ｐ側電極（第２電極）５は、ｐ型半導体層２のうち活性層３とは反対側に位置する面、すなわち低屈折率層２２の表面に形成されており、半導体発光素子Ａに供給される正孔を受ける電極である。ｐ側電極５は、Ａｌなどの導電体からなる。ｐ型半導体層２の厚さ方向視において、ｐ側電極５は、ｐ型半導体層２よりも小とされている。ｐ型半導体層２のうちｐ側電極によって覆われていない部分から、活性層３から発せられた光が出射される。

半導体発光素子Ａは、たとえばｎ−ＧａＡｓ基板１１を土台として、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−クラッド層１２、活性層３、およびｐ型半導体層２を順次形成することによって製造することができる。

次に、半導体発光素子Ａの作用について説明する。

本実施形態によれば、低屈折率層２２の平均された屈折率は、ウインドウ層２１の屈折率と空気の屈折率との中間の値となっている。このため、ウインドウ層２１から低屈折率層２２へと入射する場合の臨界角が、ウインドウ層２１から空気へと入射する場合の臨界角よりも大きくなる。また、低屈折率層２２から空気へと入射する場合の臨界角は、ウインドウ層２１から空気へと入射する場合の臨界角よりも大きい。したがって、活性層３からの光の取り出し効率を高めることが可能であり、半導体発光素子Ａの高輝度化を図ることができる。

低屈折率層２２を構成する第１低屈折率層２２Ａおよび第２低屈折率層２２Ｂは、それぞれＡｌＩｎＰ、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる。これらの材料は、ＭＯＣＶＤ法によって成長させるのに適した材料である。このため、ｎ−クラッド層１２、活性層３、およびウインドウ層２１をＭＯＣＶＤ法によって形成した後に、同じ製造装置を用いて低屈折率層２２引き続き形成することが可能である。したがって、低屈折率層２２を形成するための別途の製造装置を適用することが不要であり、半導体発光素子Ａの製造効率を不当に低下させることがない。また、低屈折率層２２を備えることによって光の取り出し効率を高めることが可能であるため、ウインドウ層２１を厚さが１０μｍ程度の比較的薄いものとすることができる。これは、半導体発光素子Ａの製造時間の短縮に有利である。

ウインドウ層２１に近づくほど、第１低屈折率層２２Ａの厚さが小さく、かつ第２低屈折率層２２Ｂの厚さが大きい構成とすることにより、低屈折率層２２の屈折率の厚さ方向における分布は、ウインドウ層２１に近づくほど比較的大きな値が占める割合が大きくなっている。これにより、低屈折率層２２のうちウインドウ層２１に近い部分の屈折率をウインドウ層２１の屈折率に近づけるとともに、低屈折率層２２のうち空気に近い部分の屈折率を空気の屈折率に近づけることが可能である。したがって、活性層３からの光がウインドウ層２１、低屈折率層２２、および空気の界面において全反射される割合を低減することが可能であり、光の取り出し効率を高めるのに適している。

低屈折率層２２のうち空気に触れる部分は、第２低屈折率層２２Ｂによって構成されている。第２低屈折率層２２Ｂの材質である（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐは、第１低屈折率層２２Ａの材質であるＡｌＩｎＰと比べてＡｌの組成比が小さい。低屈折率層２２のうち空気と触れる部分のＡｌ組成比が小さいほど、酸化される度合いが小さくなる。したがって、半導体発光素子Ａが酸化によって変質することを防止するのに有利である。

図４は、半導体発光素子Ａに備えられる低屈折率層２２の他の例を示している。この構成においては、第１低屈折率層２２Ａがｐ−ＧａＮからなり、第２低屈折率層２２ＢがＺｎがドープされたＡｌＩｎＰからなる点が図２に示す構成と異なっている。また、低屈折率層２２のうち空気と接する部分は、第１低屈折率層２２Ａによって構成されている。

このような構成によれば、第１低屈折率層２２Ａの屈折率が２．１８程度であることから、低屈折率層２２全体の平均された屈折率を２．８程度の比較的小さい値とすることが可能である。これは、半導体発光素子Ａの光の取り出し効率を高めるのに好適である。

ＧａＮは、たとえば（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5ＰとくらべてＺｎをドープしにくい材料である。このため、ｐ−ＧａＮからなる第１低屈折率層２２Ａは、ｐ型半導体としての性質が弱く、たとえばｐ側電極５との接合形態をオーミックコンタクトとすることが困難である。しかし、第２低屈折率層２２Ｂの材質として比較的ＺｎをドープしやすいＡｌＩｎＰを選定することにより、低屈折率層２２全体として、ｐ型半導体としての機能を十分に果たすものとすることができる。また、ウインドウ層２１と接する第２低屈折率層２２Ｂを形成する（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐは、ｐ−ＧａＮと比べてウインドウ層２１を形成するｐ−ＧａＰと格子定数が近い。このため、ウインドウ層２１と低屈折率層２２との間で大きな格子間歪みが生じることを抑制することができる。

本発明に係る半導体発光素子は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る半導体発光素子の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

第１低屈折率層２２Ａおよび第２低屈折率層２２Ｂの材料としては、上述した材料のほかに、たとえばＡｌＰにＺｎをドープした材料を用いることができる。低屈折率層２２を複数の第１低屈折率層２２Ａと複数の第２低屈折率層２２Ｂとが積層された構成に限定されず、単一の材料によって低屈折率層２２を形成してもよい。この材料としては、その屈折率がウインドウ層２１の屈折率と空気の屈折率との間であるものを選定すればよい。本発明で言う第１型半導体層および第２型半導体層は、一方がｎ型半導体からなり他方がｐ型半導体からなる構成であれば、上述した実施形態と入れ替わった構成であってもよい。

本発明に係る半導体発光素子の一例を示す要部断面図である。 図１に示す半導体発光素子のウインドウ層および低屈折率層を示す要部断面図である。 図１に示す半導体発光素子のウインドウ層および低屈折率層の屈折率分布を示すグラフである。 本発明に係る半導体発光素子のウインドウ層および低屈折率層の他の例を示す要部断面図である。 従来の半導体発光素子の一例を示す要部断面図である。

符号の説明

Ａ 半導体発光素子
１ ｎ型半導体層（第１型半導体層）
２ ｐ型半導体層（第２型半導体層）
３ 活性層
４ ｎ側電極（第１電極）
５ ｐ側電極（第２電極）
１１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１２ ｎ−クラッド層
２１ ウインドウ層（高屈折率層）
２２ 低屈折率層
２２Ａ 第１低屈折率層
２２Ｂ 第２低屈折率層
２３ ｐ−クラッド層

Claims (3)

1. 正孔と電子とが再結合することにより発光可能とされた活性層と、
   上記活性層を挟んで配置された第１型半導体層および第２型半導体層と、
   上記第１型半導体層に導通する第１電極と、
   上記第２型半導体層のうち上記活性層とは反対側の表面に設けられており、厚さ方向視において上記第２型半導体層よりも小とされている第２電極と、を備えており、
   上記活性層から少なくとも上記第２型半導体層を透して光を出射する構成とされた半導体発光素子であって、
   上記第２型半導体層は、上記活性層寄りに位置する高屈折率層と、上記第２電極および上記高屈折率層によって挟まれており、かつ厚さ方向において平均された屈折率が上記高屈折率層の屈折率よりも小さい低屈折率層とを有していることを特徴とする、半導体発光素子。
2. 上記低屈折率層は、複数の第１低屈折率層と、第１低屈折率層よりも屈折率が大きい複数の第２低屈折率層とが交互に積層されており、
   上記高屈折率層には、上記第２低屈折率層が接している、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 上記第１低屈折率層は、上記高屈折率層寄りにあるものの厚さの方が、上記第２電極寄りにあるものの厚さよりも小とされており、
   上記複数の第２低屈折率層は、上記高屈折率層寄りにあるものの厚さの方が、上記第２電極寄りにあるものの厚さよりも大とされている、請求項２に記載の半導体発光素子。

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