JP2010141332A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｐ型電極の下面により光が反射されることを防止することで、発光効率を向上することができる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】本発明による半導体発光素子は、Ｎ型半導体層、活性層、Ｐ型半導体層が順次積層された発光構造物と、発光構造物の上面に形成される透明電極と、透明電極の上面に形成されるＰ型電極と、を含み、Ｐ型電極の位置に対応する発光構造物の内部には、電流の流れを遮断する絶縁体が形成されることを特徴とする。
【選択図】図３
【解決手段】本発明による半導体発光素子は、Ｎ型半導体層、活性層、Ｐ型半導体層が順次積層された発光構造物と、発光構造物の上面に形成される透明電極と、透明電極の上面に形成されるＰ型電極と、を含み、Ｐ型電極の位置に対応する発光構造物の内部には、電流の流れを遮断する絶縁体が形成されることを特徴とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、半導体発光素子に関する。
通常、窒化物半導体発光素子に用いられる窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのようなＩＩＩ族元素の窒化物は、熱的安定性に優れ、直接遷移型のエネルギーバンド（band）構造をもち、最近、青色及び紫外線領域の光電素子用物質として大きく脚光を浴びている。特に、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた青色及び緑色の発光素子は、大規模の天然色フラットパネルディスプレイ、信号灯、室内照明、高密度光源、高解像度出力システム、及び光通信などの様々な応用分野に活用されている。
窒化物半導体発光素子は、通常、基板上にバッファ層、Ｐ型半導体層、活性層、Ｎ型半導体層、電極の構造で構成される。ここで、活性層は、電子と正孔が再結合する領域であって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の一般式で表される量子井戸層と量子障壁層を含む。この活性層を構成する物質に応じて発光ダイオードから放出される発光波長が決定される。
以下、図１及び図２を参照して従来技術による半導体発光素子について説明する。図１及び図２は、従来技術による半導体発光素子を示す断面図である。
従来技術による半導体発光素子は、図１及び図２に示すように、ＧａＮ系半導体物質の成長のためのサファイア基板１０と、サファイア基板１０の上に順次形成されたＮ型半導体層２０、活性層４０、及びＰ型半導体層５０を主な構成として形成される。Ｐ型半導体層５０及び活性層４０はメサエッチング（mesa etching）工程によりその一部が除去され、Ｎ型半導体層２０の上面の一部が露出する構造を有する。
Ｐ型半導体層５０の上には透明電極６０及びＰ型電極７０が形成され、上記メサエッチング工程により露出されたＮ型半導体層２０の上にはＮ型電極３０が形成される。
このような構造を有する半導体発光素子に電源を印加すると、図１に示すように、Ｐ型電極７０とＮ型電極３０との間に電流が流れ、これにより活性層４０が発光することになる。図１の矢印は電流の流れを示す。
電流が流れると活性層４０は発光する。このとき、図２に示すように、Ｐ型電極７０の下の部分の活性層４０から発光する光はＰ型電極７０により遮断されて半導体発光素子の内部に反射・吸収され発光素子の外部に放出されないという問題が発生した。これは、半導体発光素子の光効率を低下させる結果となった。
こうした従来技術の問題点を解決するために、本発明は、発光構造物の内部における電流の流れを変更することにより、発光効率を高めることができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態によれば、Ｎ型半導体層、活性層、Ｐ型半導体層が順次積層された発光構造物と、発光構造物の上面に形成される透明電極と、透明電極の上面に形成されるＰ型電極と、を含み、Ｐ型電極の位置に対応する発光構造物の内部には、電流の流れを遮断する絶縁体が形成されることを特徴とする半導体発光素子が提供される。
絶縁体は発光構造物を貫通するように形成されてもよく、発光構造物はＰ型半導体層からＮ型半導体層の一部までメサエッチングされた形状であってもよい。
また、絶縁体の幅は、Ｐ型電極の幅と同一であってもよい。
本発明の実施形態によれば、Ｐ型電極によりＰ型電極の下面から光が反射されることを防止することで、発光効率を向上させることができる。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本願では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。
以下、本発明による半導体発光素子の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明し、添付図面を参照して説明するに当たって、同一または対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する重複説明は省略する。
図３及び図４は、本発明の一実施例による半導体発光素子を示す断面図である。図３及び図４を参照すると、基板１０、Ｎ型半導体層２０、Ｎ型電極３０、活性層４０、Ｐ型半導体層５０、透明電極６０、Ｐ型電極７０、絶縁体８０が示されている。
図３及び図４に示すように、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子は、基板１０と、基板１０上に順次形成されたＮ型半導体層２０、活性層４０、及びＰ型半導体層５０を含み、Ｐ型半導体層５０と活性層４０がのメサエッチング工程によりその一部の領域が除去され、Ｎ型半導体層２０の一部の上面が露出する構造を有する。
露出されたＮ型半導体層２０にはＮ型電極３０が形成される。そして、Ｐ型半導体層５０にはＩＴＯ（Indium-TiN oxide）などからなった透明電極６０が形成され、その上にはＰ型電極７０が形成される。
基板１０は窒化物半導体単結晶を成長させるのに適した材質で形成すればよい。例えば、基板１０をサファイアなどの材料で形成してもよく、サファイア以外に、酸化亜鉛（zinc oxide、ＺｎＯ）、窒化ガリウム（gallium nitride、ＧａＮ）、炭化ケイ素（silicon carbide、ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで形成してもよい。
一方、図面に示されていないが、基板１０と後述するＮ型半導体層２０との格子定数の差を小さくするために、基板１０の上面にバッファ層（図示せず）を形成してもよい。バッファ層（図示せず）は、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの材質で形成してもよく、素子の特性及び工程条件に応じて省略することも可能である。
基板１０（またはバッファ層）の上面にはＮ型半導体層２０が形成される。Ｎ型半導体層２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系からなり、駆動電圧を低減する目的でシリコンをドーピングしてもよい。
Ｎ型半導体層２０の上には量子井戸層（図示せず）と量子障壁層（図示せず）を備えた活性層４０が形成される。量子井戸構造を実現する量子井戸層（図示せず）と量子障壁層（図示せず）の個数は、設計上の必要により多様に変更することができる。
活性層４０の上にはＰ型半導体層５０が形成される。Ｐ型半導体層５０は、Ｍｇ、Ｚｎ、ＢｅなどのようなＰ型導電型不純物がドーピングされた半導体層である。Ｐ型半導体層５０は発光領域に隣接して電子障壁層（electron blocking layer：ＥＢＬ）の役割をするＰ型ＡｌＧａＮ層（図示せず）と、このＰ型ＡｌＧａＮ層に隣接しているＰ型ＧａＮ層（図示せず）とを含むこともできる。
本明細書では、上述したＮ型半導体層２０、活性層４０、及びＰ型半導体層５０を総称して発光構造物という。このような発光構造物は、基板１０（またはバッファ層）の上にＮ型半導体層２０、活性層４０、及びＰ型半導体層５０を順次成長させることで形成される。
Ｐ型半導体層５０の上には透明電極６０が形成される。透明電極６０は、透過性酸化膜であって、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＲｕＯｘ、ＴｉＯｘ、ＩｒＯｘなどで形成可能である。
透明電極６０からＮ型半導体層２０まではメサエッチング工程によりその一部が除去される。メサエッチングにより露出されたＮ型半導体層２０にはＮ型電極３０が形成され、透明電極６０の上にはＰ型電極７０が形成される。
一方、本実施例によれば、図３に示すように、Ｐ型電極７０の位置に対応する発光構造物の内部に絶縁体８０が形成される。すなわち、Ｐ型電極７０の下の部分の発光構造物には、Ｐ型電極７０と同様にパターニングされた絶縁体８０が発光構造物を貫通するように形成される。
このためには、発光構造物を形成した後、Ｐ型電極７０が形成される位置に対応する発光構造物をエッチングして発光構造物の内部に空間を確保し、その後、確保された空間に絶縁物質を満たす方法を用いてもよい。
その後、発光構造物の上面に透明電極６０を形成し、その上にＰ型電極７０を形成すれば、Ｐ型電極７０の下には絶縁体８０が存在する構造となる。
このような構造を有する半導体発光素子のＰ型電極７０とＮ型電極３０との間に電源を印加すると、図３に示すように、電流が流れることになる。図３の矢印は電流の流れを示す。
すなわち、Ｐ型電極７０の下には絶縁体８０が存在するため、Ｐ型電極７０の真下には電流が流れなく、電流は横方向に広がって透明電極６０の全体に流れることになる。このようにすれば、図４に示すように、Ｐ型電極７０の真下の部分の活性層４０は発光しないため、Ｐ型電極７０により反射・吸収されて消滅する光は存在しなくなる。図４の矢印は活性層から放出される光を示す。
一方、Ｐ型電極７０の真下の部分に流れていた電流は透明電極６０に沿って横方向に流れてＰ型電極７０により遮断されない活性層４０の領域に流れることになる。したがって、注入される電流を損失することなく使用できるようになり、それだけ半導体発光素子の発光効率を高めることができるようになる。
絶縁体８０としては、Ｐ型電極７０の下の部分に電流が流れることを防ぐことができる材料であれば、特に限定されない。例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のような物質を用いると、絶縁効果とともに高い光透過率を得ることができる。
このような絶縁体８０は、Ｐ型電極７０と同様にパターニングされて発光構造物の内部、場合によっては発光構造物の外部に形成される。このとき、絶縁体８０の幅はＰ型電極７０の幅と同一に形成することがよい。これは、絶縁体８０の幅がＰ型電極７０の幅より小さいと、Ｐ型電極７０の一部により光が反射・吸収されることがあり、絶縁体８０の幅がＰ型電極７０の幅より大きいと、 実際の光を放出する活性層４０の面積がそれだけ少なくなるからである。
なお、本明細書で「同一」というのは、数学的に全く同じであることだけを意味するのではなく、加工誤差などを考慮した、実質的に同一であることを意味する。したがって、絶縁体８０の幅は加工誤差、その他の設計変数などを考慮して決定すればよい。
一方、本実施例では、エピアップ（Ｅｐｉ−Ｕｐ）構造の半導体発光素子を例に挙げて説明したが、その他の構造の半導体発光素子に対しても、上述した構造を適用することができることは勿論である。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した方法における動作、手順、ステップ、および工程等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「先ず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
１０ 基板
２０ Ｎ型半導体層
３０ Ｎ型電極
４０ 活性層
５０ Ｐ型半導体層
６０ 透明電極
７０ Ｐ型電極
８０ 絶縁体
２０ Ｎ型半導体層
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４０ 活性層
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６０ 透明電極
７０ Ｐ型電極
８０ 絶縁体
Claims (4)
- Ｎ型半導体層、活性層、Ｐ型半導体層が順次積層された発光構造物と、
前記発光構造物の上面に形成される透明電極と、
前記透明電極の上面に形成されるＰ型電極と、を含み、
前記Ｐ型電極の位置に対応する前記発光構造物の内部には、電流の流れを遮断する絶縁体が形成されることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記絶縁体が、前記発光構造物を貫通するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記発光構造物が、前記Ｐ型半導体層からＮ型半導体層の一部までメサエッチングされた形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁体の幅が、前記Ｐ型電極の幅と同一であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の半導体発光素子。
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