JP2011009648A - 発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効率を向上させた発光素子を提供する。
【解決手段】
本発明の発光素子は、第１導電型半導体層２ａと、第１導電型半導体層２ａ上に設けられた活性層２ｂと、活性層２ｂ上に設けられた第２導電型半導体層２ｃと、活性層２ｂと接する底面を有するように第２導電型半導体層２ｃに埋設され、第２導電型半導体層２ｃよりも屈折率の高い材料で構成された突起部３と、を備えた発光素子。
を具備する。
【選択図】図２

Description

この発明は、光取り出し効率を向上させた発光素子に関するものである。

現在、紫外光、青色光、緑色光等を発光する発光素子の開発が行われている。特に、ＩＩＩ族窒化物半導体を有する発光素子の光取り出し効率の向上を目的とした開発が数多くされている。

例えば、特許文献１には、発光素子の光取り出し効率を向上させるために、光取り出し面であるｐ型半導体層の表面を凹凸にすることが記載されている。

特開平６−２９１３６８号公報

しかしながら、特許文献１のように発光素子のｐ型半導体層の素子外部への光取り出し面に凹凸を設けたとしても、活性層とｐ型半導体層との界面では全反射等があり、活性層で発光した光を活性層からｐ型半導体層へ取り出す効率を向上させることは難しかった。

本発明は、以上のような諸事情を鑑みて案出されたものであり、活性層からｐ型半導体層への光取り出し効率を向上させることができる発光素子を提供することを目的とする。

本発明の発光素子は、第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた第２導電型半導体層と、前記活性層と接する底面を有するように前記第２導電型半導体層に埋設され、前記第２導電型半導体層よりも屈折率の高い材料で構成された突起部と、を有する。

また、本発明の発光素子は、第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた第２導電型半導体層と、前記活性層と接する底面を有するように前記第２導電型半導体層に埋設され、前記活性層より屈折率の低い材料で構成された突起部と、を有する。

本発明の発光素子によれば、活性層と接する底面を有し、第２導電型半導体層に埋設するように設けられ、第２導電型半導体層の屈折率より高い材料で構成された突起部を有することにより、活性層から第２導電型半導体層への光取り出し効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の模式的な斜視図である。 図１に示す発光素子の模式的な断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。 本発明の第１の実施形態にかかる突起部の形成方法を説明する模式的な断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる発光素子の模式的な断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。

以下に図面を参照して、本発明にかかる発光素子の実施形態について詳細に説明する。

本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を施すことができる。

［第１の実施形態］
図１は本実施形態に係る発光素子２０の斜視図、図２は図１に示す発光素子２０の模式的な断面図であり、図１のＡ−Ａ´線で切断したときの断面に相当する。

本発明にかかる発光素子２０は、図に示すように基板１、半導体層２、突起部３、ｎ型電極４、ｐ型電極５、パッド電極６を有している。

基板１は、半導体層２を成長させることが可能な基材であればよい。具体的に、基板１としては、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）などが挙げられる。基板１の厚みとしては、１００〜１０００μｍ程度である。基板１上における半導体層２の成長方法としては、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy、略称ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、略称ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxy、略称ＨＶＰＥ）法、パルスレーザデポジション（Pulse Laser Deposition、略称ＰＬＤ）法などが用いられる。

半導体層２は、基板１上に形成され、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる層である。ここで、ＩＩＩ族窒化物半導体とは、元素周期律表におけるＩＩＩ族（１３族）元素の窒化物から構成される半導体を意味する。半導体層２を構成するＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などを例示することができ、化学式で例示するとＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）と表すことができる。

半導体層２は、ｎ型半導体層である第１導電型半導体層２ａと、活性層２ｂと、ｐ型半導体層である第２導電型半導体層２ｃとが、この順で基板１上に形成された積層構造を有している。

ＩＩＩ族窒化物半導体からなる第１導電型半導体層２ａをｎ型とするには、例えば元素周期律表においてＩＶ族の元素であるシリコン（Ｓｉ）などをドーパントとして層中に混入させればよい。第１導電型半導体層２ａの厚みは２〜３μｍ程度である。また、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２導電型半導体層２ｃをｐ型とするには、例えば元素周期律表においてＩＩ族の元素であるマグネシウム（Ｍｇ）などをドーパントとして層中に混入させればよい。なお、第２導電型半導体層２ｃの厚みは２００〜５００ｎｍ程度である。

活性層２ｂは、第１導電型半導体層２ａと第２導電型半導体層２ｃとの間に設けられている。活性層２ｂは、禁制帯幅の広い活性層側障壁層と禁制帯幅の狭い活性層側井戸層（図示せず）とからなる量子井戸構造が複数回（たとえば約３回）繰り返し規則的に積層された多層量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよい。なお、前述の活性層側障壁層としては、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層などが例示できる。また、前述の活性層側井戸層としては、Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層などが例示できる。この場合、活性層側障壁層の厚みは５〜１５ｎｍ程度、活性層側井戸層の厚みは２〜１０ｎｍ程度に設定でき、活性層２ｂ全体の厚みは２５〜１５０ｎｍ程度である。

ｎ型電極４は第１導電型半導体層２ａに接続され、ｐ型電極５は第２導電型半導体層２ｃに接続されている。本実施形態では、ｐ型電極５は第２導電型半導体層２ｃ表面に層状に形成されている。また、パッド電極６はｎ型電極４およびｐ型電極５に接続される電極端子である。ｎ型電極４、ｐ型電極５としては、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、酸化錫（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、金−シリコン（Ａｕ−Ｓｉ）合金、金−ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ）合金、金−亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）合金、金−ベリリウム（Ａｕ−Ｂｅ）合金などの薄膜を好適に用いることができる。また、ｎ型電極４、ｐ型電極５は、上記材質の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。さらに、ｎ型電極４は、基板１が導電性を有する場合、基板１の裏面側に設けてもよい。

活性層２ｂ上には、活性層２ｂと接する底面を有する略円錐形状の突起部３が形成されている。また、活性層２ｂ上に形成された突起部３は、第２導電型半導体層２ｃに埋設されている。

このように突起部３を活性層２ｂ上に設けることにより、突起部３の形状によらず第２導電型半導体層２ｃ上に形成されたｐ型電極５から活性層２ｂへ流れ込む電流を、狭窄させることができる。このように活性層２ｂに流れ込む電流を第２導電型半導体層２ｃで狭窄させることができることから、活性層２ｂの電流密度を向上させることができる。この際、突起部３が酸化物や窒化物などの電流を通しにくい材料であるほど、電流を狭窄させる効果を高くすることができる。

本実施形態では突起部３は略円錐形状としている。このように突起部３が略円錐形状で形成されているため、底面から入った光を突起部３の先端部に導きやすくすることができる。なお、突起部３は底面がなす平面より上方にある点から底面の外周に伸ばした略直線が底面の外周を１周してつくる外周面と底面とによってつくられる錘体であればよい。例えば、略四角錘や三角錘など種々の底面形状を組み合わせた錘体を用いることができる。また、錘体の外周面をなす略直線には一部に弧を含んでもよい。ここで、錘体からなる突起部３は、厚さ方向に断面視して、その底辺と側辺とのなす角が鋭角となるようにすることに形成することが好ましい。これにより、突起部３の底辺方向から入った光をより多く先端方向に導きやすくすることができる。なお、突起部３に入った光を突起部３の側辺で効率よく全反射させて突起部３の先端方向に光を取り出すという観点から底辺と側辺とのなす角は２０°〜７０°で形成することが好ましい。

突起部３は、第２導電型半導体層２ｃの屈折率より高い屈折率を有するように形成されている。突起部３の材料としては、第２導電型半導体層２ｃの屈折率より大きな屈折率を有するＴｉ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒを含む酸化物または酸窒化物から適宜選択することができる。通常、活性層２ｂの屈折率は第２導電型半導体層２ｃの屈折率より大きくなっており、第２導電型半導体層２ｃより高い屈折率で形成された突起部３を活性層３上に有することにより、活性層３から突起部３の内部に光を取り出すことができるため、活性層３から第２導電型半導体層２ｃへより多く光を取り出すことができる。

さらに、本実施形態では突起部３の屈折率が、活性層２ｂの屈折率より大きく形成している。このことから、活性層２ｂと接する突起部３の底面で理論的に全反射しなくなり、活性層２ｂと第２導電型半導体層２ｃとの界面２Ａにおいて全反射されていた光を、突起部３の内部に導くことができる。その結果、活性層２ｂから第２導電型半導体層２ｃへの光取り出し効率を向上させることができる。本実施形態のように活性層２ｂが、２層の繰り返しによる量子井戸構造により形成されている場合、活性層２ｂの屈折率は２層のうち突起部３の底面と接する層の屈折率とする。

このような突起部３の材料として、具体的には、第２導電型半導体層２ｃがＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎで形成され、活性層２ｂが上述のようなＧａＮ系材料から形成されている場合、発光波長は４００〜４５０ｎｍとなり、第２導電型半導体層２ｃの屈折率は約２．２、活性層２ｂの屈折率は約２．４となる。そのため、例えば、突起部３の材料として、ＴｉＯ（屈折率 約２．５５），ＴｉＯ_２（屈折率 約２．５５）などを用いることができる。なお、活性層２ｂ、第２導電型半導体層２ｃおよび突起部３の屈折率は、エリプソメトリーやプリズム法などを用いて確認することができる。なお、第２導電型半導体層２ｃの屈折率は、第２導電型半導体層２ｃが複数の層により形成されている場合、複数の層のうち突起部３が埋設されている層の屈折率であればよい。

このように、突起部３は、活性層２ｂと接する底面を有する略円錐形状で形成され、突起部３の屈折率が活性層２ｂのおよび第２導電型半導体層２ｃの屈折率より大きく形成されている。このことから、活性層２ｂと第２導電型半導体層２ｃとの界面２Ａでの光の全反射を少なくすることができるため、光取り出し効率を向上させることができる。

また、突起部３は第２導電型半導体層２ｃに埋設されていることから、光取り出し効率を向上させつつ、第２導電型半導体層２ｃの表面の平坦度を維持することができ、ｐ型電極５との接触抵抗の増加を抑制することができる。

さらに、突起部３の材料として、ＴｉＯ，ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，Ｎｂ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＺｒＯ_２を用いることにより、活性層２ｂで発光した光の波長における吸収係数を第２導電型半導体層２ｃの吸収係数より小さくすることができ、第２導電型半導体層２ｃで吸収される光を減らすことができることから、突起部３が設けられていない場合と比較して、光取り出し効率をより向上させることができる。

このような突起部３は、活性層２ｂを作製する工程と第２導電型半導体層２ｃを作製する工程の間に、突起部３の材料をスパッタリング等で活性層２ｂに積層した後、レジストを用いてエッチングすることにより所望の形状に作製することができる。具体的には、図３に示すように基板１上にＧａＮ系材料からなる第１導電型半導体層２ａおよび活性層２ｂを積層した後、活性層２ｂ上に突起部３の材料であるＴｉＯ，ＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，ＺｎＯ，Ｎｂ_２Ｏ_５，ＨｆＯ_２，ＺｒＯ_２などを、突起部３の高さ寸法に相当する膜厚になるようにして、真空蒸着やスパッタリングにより積層膜９を形成する。

さらに、図３（ａ）に示すように、その積層膜９上にマスクパターン１０を形成した後、エッチングすることにより突起部３を所望の形状に形成することができる。その後、図３（ｃ）に示すように第２導電型半導体層２ｃを気相成長法などにより膜厚が突起部３の高さ寸法より高くなるように選択的に活性層２ｂ表面上に成長させる。このように、突起部３を形成した活性層２ｂ上に第２導電型半導体層２ｃを気相成長させることにより、活性層２ｂ上に第２導電型半導体層２ｃを横方向成長させることができる。このように突起部３は、第２導電型半導体層２ｃを横方向成長させるためのレジストパターンとして用いることができる。これにより、第２導電型半導体層２ｃの結晶性を向上させることができるため、第２導電型半導体層２ｃの電気抵抗を減らすことができる。また、第２導電型半導体層２ｃを横方向成長により形成させことから、横方向成長を用いないで第２導電型半導体層２ｃ形成させた場合と比較して、第２導電型半導体層２ｃの育成速度を大幅に短縮することができる。

なお、活性層２ｂと突起部３とが接している状態は、発光素子２０の厚さ方向の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて確認することができる。なお、活性層２ｂおよび第２導電型半導体層を製造する際に、活性層２ｂと第２導電型半導体層２ｃとの間に、活性層２ｂまたは第２導電型半導体層２ｃを構成する主成分量に対してその他の成分量が増加するなどして形成された層が数ｎｍ程度、存在することもあるが、この場合も本発明の効果を有するものであり実質的に接しているものとする。ＴＥＭを用いる以外の方法としては、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて、厚さ方向に対する元素分析をすることにより確認してもよい。例えば、突起部３の材料は半導体層２で用いられる材料と異なり、第２導電型半導体層２ｃはＭｇがドープされていることから、突起部３の材料およびＭｇの量をＳＩＭＳで測定することで、活性層２ｂと突起部３とが接していることを確認することができる。

さらに、発光素子２０をシリコーン樹脂により封止してもよい。シリコーン樹脂は、例えば屈折率１．４〜１．７のものを用いることができる。また、活性層２ｂが３００〜５００ｎｍの波長の光を発光する場合、このようなシリコーン樹脂の中に蛍光体や燐光体を混ぜて活性層２ｂからの光を白色光に変換してもよい。

［第２の実施形態］
次に、発光素子２０の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態にかかる発光素子２０と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。

図４は、第２の実施形態にかかる発光素子２０を示す図であり、突起部３´の屈折率が第２導電型半導体層２ｃの屈折率より大きく、活性層２ｂの屈折率より低い略円柱形状で形成されている点で第１の実施形態と異なっている。具体的には、第２導電型半導体層２ｃがＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎで形成され、活性層２ｂが上述のようなＧａＮ系材料から形成されている場合、発光波長は４００〜４５０ｎｍとなり、第２導電型半導体層２ｃの屈折率は２．２、活性層２ｂの屈折率は２．４となる。そのため、突起部３´の材料としては、Ｔａ_２Ｏ_５（屈折率 約２．３），Ｎｂ_２Ｏ_５（屈折率 約２．３３）などを用いることができる。なかでも、透過率などの点から突起部３´をＴａ_２Ｏ_５で形成することが好ましい。なお、活性層２ｂ、第２導電型半導体層２ｃおよび突起部３の屈折率は、エリプソメトリーやプリズム法などを用いて確認することができる。

このように、突起部３の屈折率が第２導電型半導体層２ｃの屈折率より大きく、活性層２ｂの屈折率より低い材料により構成されることで、活性層２ｂと第２導電型半導体層２ｃとの屈折率差と比較して、活性層２ｂと突起部３との屈折率差が小さくなる。その結果、活性層２ｂと突起部３の底面での全反射を少なくすることができため、活性層２ｂから第２導電型半導体層２ｃへの光取り出し効率を向上させることができる。

なお、第２の実施形態では、突起部３´を略円柱形状で形成されている場合を説明したが、柱状体や錘体であれば上述の効果を得ることができる。また、突起部３´は厚み方向に断面視して、突起部３´の底辺と側辺とがなす角を鋭角とすることが好ましい。突起部３´をこのように底辺と側辺とのなす角度が鋭角であることにより、突起部３´の底面から入射した光を第２導電型半導体層２ｃへ取り出しやすくすることができる。

１ 基板
２ 半導体層
２ａ 第１導電型半導体層
２ｂ 活性層
２ｃ 第２導電型半導体層
３ 突起部
４ ｎ型電極
５ ｐ型電極
６ 電極パッド
９ 積層膜
１０ マスクパターン
２０ 発光素子

Claims (5)

1. 第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に設けられた活性層と、
   前記活性層上に設けられた第２導電型半導体層と、
   前記活性層と接する底面を有するように前記第２導電型半導体層に埋設され、前記第２導電型半導体層よりも屈折率の高い材料で構成された突起部と、を備えた発光素子。
2. 第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上に設けられた活性層と、
   前記活性層上に設けられた第２導電型半導体層と、
   前記活性層と接する底面を有するように前記第２導電型半導体層に埋設され、前記活性層より屈折率の低い材料で構成された突起部と、を備えた発光素子。
3. 前記突起部は、錐体からなる請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記突起部は、前記活性層より屈折率の低い材料で構成された請求項１に記載の発光素子。
5. 前記第１導電型半導体層、前記活性層および前記第２導電型半導体層はＧａＮ系材料から形成され、前記突起部は、Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｚｒを含む酸化物または酸窒化物からなる請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子。
   

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