JP2011023639A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電流狭窄構造内におけるフォトニック結晶構造形成領域で発光した光を効率良く取り出し、輝度が高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１Ａを、基板１と、基板１の片面に形成されたＧａＮ半導体層２と、ＧａＮ半導体層２の表層部分に高エネルギを照射することによって形成された電流注入阻止層３と、電流注入阻止層３の内端部をもって形成された電流狭窄構造４と、ＧａＮ半導体層２の表面に形成された透明導電膜５と、透明導電膜５の表面からＧａＮ半導体層２の内部にまで形成された微細な凹凸の規則的な集合からなるフォトニック結晶構造形成領域６と、透明導電膜５の表面を覆う絶縁膜７と、絶縁膜７の開口部に形成され、ＧａＮ半導体層２のｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層にそれぞれ接続されたｎ側電極８及びｐ側電極９をもって構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトニック結晶構造形成領域及び電流狭窄構造を有する半導体発光素子に係り、特に、電流狭窄構造の外周領域からの光の取り出し効率を高める手段に関する。

図９に、従来知られているこの種の半導体発光素子の断面構造を示す。この図において、１００はサファイアなどからなる半導体基板、１０１は半導体基板１００の片面に形成されたＧａＮなどからなる半導体層、１０２は半導体層１０１に形成されたフォトニック結晶構造形成領域、１０３はフォトニック結晶構造形成領域１０２の表面に形成されたＩＴＯなどからなる透明導電膜、１０４は電流狭窄窓１０５を形成するためのＳｉＯ_２などの絶縁膜、１０６，１０７は半導体層１０１及び透明導電膜１０３に設けられた金属材料からなるｎ側電極及びｐ側電極を示している（例えば、特許文献１参照。）。

本例の半導体発光素子は、半導体層１０１と透明導電膜１０３との間に形成される絶縁膜１０４の端部によって、半導体層１０１に対する電流の注入範囲を、電流狭窄窓１０５内に規制することができるので、ｎ側電極１０６とｐ側電極１０７との間に供給される電流を効率良く半導体層１０１に注入することができる。

特表２００７−５２９１０５号公報

しかしながら、図９に記載の半導体発光素子は、フォトニック結晶構造形成領域１０２内に透明導電膜１０３と絶縁膜１０４とが形成されるので、電流狭窄窓１０５の外周領域において、フォトニック結晶構造形成領域１０２における屈折率変化の周期に乱れが生じるという問題がある。このため、電流狭窄窓１０５の外周領域から拡散した光を効率的に取り出すことができない。

本発明は、かかる技術的課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電流狭窄構造内におけるフォトニック結晶構造形成領域で発した光を効率よく取り出し、輝度が高い半導体発光素子を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、第１に、半導体発光素子を、発光層を含む半導体層と、当該半導体層の表面に、これと接するようにして形成された透明導電膜と、前記半導体層及び前記透明導電膜を加工することにより形成されたフォトニック結晶構造形成領域と、当該フォトニック結晶構造形成領域に対して効率良く電流を注入するための電流狭窄構造とを有し、前記電流狭窄構造は、前記半導体層の表層部分又は前記半導体層の表面に、前記フォトニック結晶構造形成領域における屈折率変化の周期性に影響を与えず、かつ前記透明導電膜から前記半導体層への電流の注入を制限する電流注入阻止層を設けるという構成にした。

かかる構成によると、電流注入阻止層を形成することにより、半導体層に対する電流の注入範囲を所望の電流狭窄構造内に規制することができるので、ｎ側電極とｐ側電極との間に供給される電流を効率良く半導体層に注入することができる。また、電流注入阻止層は、フォトニック結晶構造形成領域の屈折率変化の周期性に影響を与えないものを用いるので、電流狭窄構造の外周領域に形成されたフォトニック結晶構造形成領域の光の取り出し効率の低下を防止し、該部からの光の取り出し効率を高めることができる。

本発明は第２に、前記第１の半導体発光素子において、前記電流注入阻止層は、前記半導体層の表面に、高エネルギ線を照射することにより形成されるという構成にした。

半導体層の表面に高エネルギ線を照射すると、半導体層の表層部分に変質層が形成されて、半導体層とこれに接触する金属（透明導電膜）との間のショットキー障壁の高さ及び距離が増大し、キャリアが通り抜けにくくなるので、電流注入阻止層として機能する。また、フォトニック結晶構造形成領域を形成するための加工に対する加工性は、半導体層の表面に高エネルギ線を照射することによって形成される電流注入阻止層と、電流注入阻止層が形成されていない半導体層と同等であるので、電流注入阻止層の下層に、電流注入阻止層を有しない部分と同等のフォトニック結晶構造形成領域を形成することができ、電流狭窄構造の外周部分における屈折率変化の周期性が害されない。よって、電流狭窄構造の外周領域におけるフォトニック結晶構造形成領域の光取り出し効率の低下を防止することができ、該部からの光の取り出し効率を高めることができる。

本発明は第３に、前記第１の半導体発光素子において、前記電流注入阻止層は、前記透明導電膜と前記半導体層との間に、前記発光層から放射される光の透過率が高く、かつ前記フォトニック結晶構造形成領域を形成するための加工に対する加工性が前記半導体層と同等の絶縁材料からなる絶縁膜を設けることにより形成されるという構成にした。

透明導電膜と半導体層との間に絶縁膜を設けると、透明導電膜から半導体層への電流の注入を阻止できるので、電流注入阻止層として機能する。また、絶縁膜として、フォトニック結晶構造形成領域を形成するための加工に対する加工性、および屈折率が半導体層と同等の絶縁材料からなるものを設けると、絶縁膜の下層に、絶縁膜を有しない部分と同等のフォトニック結晶構造形成領域を形成することができるので、電流狭窄構造の外周部分における屈折率変化の周期性が害されない。よって、電流狭窄構造の外周領域におけるフォトニック結晶構造形成領域の光取り出し効率の低下を防止することができ、該部からの光の取り出し効率を高めることができる。

本発明は第４に、前記第１乃至第３の半導体発光素子において、前記フォトニック結晶構造形成領域の外周と前記電流注入阻止層の内周とを、その一部においてオーバーラップさせるという構成にした。

フォトニック結晶構造形成領域の外周と電流注入阻止層の内周とを、その一部においてオーバーラップさせると、これらフォトニック結晶構造形成領域の外周位置と電流注入阻止層の内周位置とを厳密に規制する必要がないので、半導体発光素子の製造を容易に行うことができる。また、このようにすると、電流注入阻止層の下層部分から放射された光の一部を電流狭窄構造内に取り出すことができるので、半導体発光素子の光の取り出し効率を高めることができる。

本発明は第５に、前記第４の半導体発光素子において、前記フォトニック結晶構造形成領域の外周と前記電流注入阻止層の内周とのオーバーラップ量が、前記フォトニック結晶構造形成領域における屈折率変化の周期の５周期乃至１００周期、更に好ましくは、１０周期乃至３０周期であるという構成にした。

フォトニック結晶構造形成領域の外周と電流注入阻止層の内周とのオーバーラップ量は、大きいほど光の取り出し効率を高めることができるが、その反面、過大であると、素子サイズが小さい半導体発光素子については電極等の形成領域が制限されて、半導体発光素子の製造が困難になる。上述の範囲にすれば、光の取り出し効率と素子サイズとのバランスをとることができる。

本発明は第６に、前記第１乃至第５の半導体発光素子において、前記半導体層が、ガリウムの窒化物（ＧａＮ）からなるという構成にした。

半導体層がＧａＮからなる半導体発光素子は、高エネルギ線を照射することによって電流注入阻止層を形成できることが確認されているので、フォトニック結晶構造形成領域及び電流狭窄構造を有する半導体素子を高能率に製造することができる。

本発明は、半導体層及び透明導電膜を加工することにより形成されたフォトニック結晶構造形成領域と、当該フォトニック結晶構造形成領域に対して効率良く電流を注入するための電流狭窄構造とを有する半導体発光素子において、電流狭窄構造は、半導体層の表層部分又は半導体層の表面に、フォトニック結晶構造形成領域における屈折率変化の周期性に影響を与えず、かつ透明導電膜から半導体層への電流の注入を制限する電流注入阻止層を設けるという構成にしたので、電流狭窄構造の外周領域における光取り出し効率の低下を防止できて、該部からの光の取り出し効率を高めることができる。

第１実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。 第１実施形態に係る半導体発光素子の要部拡大断面図である。 高エネルギ線が照射されていない半導体層と金属又は透明導電膜との間に生じるショットキー障壁の説明図である。 高エネルギ線が照射された半導体層と金属又は透明導電膜との間に生じるショットキー障壁の第１例を示す説明図である。 高エネルギ線が照射された半導体層と金属又は透明導電膜との間に生じるショットキー障壁の第２例を示す説明図である。 第１実施形態に係る半導体発光素子の製造工程を示す図である。 第２実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。 第２実施形態に係る半導体発光素子の要部拡大断面図である。 従来例に係る半導体発光素子の断面図である。

〈第１実施形態〉
まず、本発明に係る半導体発光素子の第１実施形態を、図１乃至図６に基づいて説明する。

第１実施形態に係る半導体発光素子１Ａは、図１及び図２に示すように、サファイアなどの透明硬質材料からなる基板１と、半導体基板１の片面に形成されたＧａＮ半導体層２と、ＧａＮ半導体層２の表層部分に形成された電流注入阻止層３と、電流注入阻止層３の内端部をもって形成される電流狭窄窓などの電流狭窄構造４と、電流狭窄構造４及びその周辺部分を含むＧａＮ半導体層２の表面に形成されたＩＴＯや発光層から放射される光の透過率が高い金属膜などからなる透明導電膜５と、透明導電膜５の表面からＧａＮ半導体層２の内部にまで形成された微細な凹凸の規則的な集合からなるフォトニック結晶構造形成領域６と、透明導電膜５の表面を覆うＳｉＯ_２などからなる絶縁膜７と、絶縁膜７の開口部に形成され、ＧａＮ半導体層２のｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層（図２参照）にそれぞれ接続された金、銀、銅などの金属材料からなるｎ側電極８及びｐ側電極９をもって構成されている。

ＧａＮ半導体層２は、図１において単層に表記されているが、実際には、図２に例示するように、多層に形成されている。ＧａＮ半導体層２の積層構造は、特許文献１に記載の半導体発光装置と同様に、ＧａＮバッファ基板１１と、ｉ−ＧａＮ層１２と、ｎ−ＧａＮクラッド層１３と、発光層１４と、ｐ−ＧａＮクラッド層１５と、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６等から構成することができる。

電流注入阻止層３は、ＧａＮ半導体層２の表面の電流注入阻止層３を形成しない部分に、フォトリソグラフィ等によって所要のマスクを形成した後、ＧａＮ半導体層２の表面に、例えばプラズマ、電子、イオン、中性子などの高エネルギ線を照射することによって形成される。

ＧａＮ半導体層２の表面に高エネルギ線を照射することによって電流注入阻止層３が形成される理由を、以下に説明する。まず、高エネルギ線が照射されていないＧａＮ半導体層２の表面に直接金属又は透明導電膜５を形成すると、図３に示すように、仕事関数の大きい金属又は透明導電膜５の方にＧａＮ半導体層２側からフェルミ順位Ｅ_Ｆが一定となるように電子が流入する。このとき、ＧａＮ半導体層２の表層部分には、格子に束縛されたドナーによる正の空間電荷層（空乏層）が形成され、金属又は透明導電膜５の表面には、これに対応した負の電気が誘起される。これにより、金属又は透明導電膜５側からＧａＮ半導体層２を見たとき、金属又は透明導電膜５の仕事関数とＧａＮ半導体層２の電子親和度の差に対応するショットキー障壁が形成される。しかしながら、通常は透明導電膜５を形成する条件を最適化し、トンネル接合を形成する。

これに対して、ＧａＮ半導体層２の表面に高エネルギ線を照射すると、高エネルギ線のエネルギによってアクセプタの活性化率が低下し、その結果、図４に示すように、ＧａＮ半導体層２の空乏層幅が厚くなって、キャリアがショットキー障壁をトンネリングする確率が大きく減少し、抵抗が増大する。実験によると、ＧａＮ半導体層２の表面に高エネルギ線を照射することによって、ショットキー接合のオン抵抗を数十Ｖ以上まで高めることができる。したがって、半導体発光素子の動作電圧近傍での絶縁性が確保され、電流狭窄構造４を形成することができる。

また、実験的な解明は未だ完了していないが、ＧａＮ半導体層２の表面に高エネルギ線を照射することによって、ＧａＮ半導体層２の表面に、deep level欠陥準位が形成される。その結果、図５に示すように、ＧａＮ半導体層２の空乏層幅が拡大することによって、抵抗が増大する。いずれにしても、高エネルギ線を照射することにより、ＧａＮ半導体層２と金属又は透明導電膜５の界面の抵抗を増加できるので、これを用いて電流注入阻止層３及び電流狭窄構造４を形成することができる。

透明導電膜５は、処理していないｐ−ＧａＮコンタクト層１６上に、ＩＴＯ膜又は所要の金属膜をスパッタリング又は真空蒸着等により形成できる。

フォトニック結晶構造形成領域６は、透明導電膜５の表面に所要のマスクを形成した後、イオンミリングやリアクティブイオンエッチング等により形成することができる。マスクは、電子ビーム描画、ステッパ、ナノプリント等で形成されたレジストパターン、Ｃｒ膜、Ｎｉ膜、ＳｉＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜などを用いることができる。また、リアクティブイオンエッチングの反応ガスとしては、Ｃｌ_２、ＨＩ等の、ハロゲン系ガスを用いることができ、これらのガスにＡｒ、Ｘｅなどの希ガスを混合することもできる。フォトニック結晶構造形成領域６を構成する凹凸の深さは、光の取り出し効率を高めるため、図２に示すように、発光層１４を貫通する深さとすることが特に望ましい。

電流注入阻止層３の内周とフォトニック結晶構造形成領域６の外周とは、その一部においてオーバーラップさせることが望ましい。このように、電流注入阻止層３の内周とフォトニック結晶構造形成領域６の外周とをその一部においてオーバーラップさせると、これら電流注入阻止層３の内周位置とフォトニック結晶構造形成領域６の外周位置とを厳密に規制する必要がないので、半導体発光素子の製造を容易に行うことができる。また、このようにすると、電流注入阻止層３の下層部分から放射された光の一部を電流狭窄構造４内に取り出すことができるので、半導体発光素子の光の取り出し効率を高めることができる。

電流注入阻止層３の内周とフォトニック結晶構造形成領域６の外周のオーバーラップ量は、フォトニック結晶構造形成領域６における屈折率変化の周期（凹凸の周期）の５周期乃至１００周期、更に好ましくは、１０周期乃至３０周期とすることが望ましい。これにより、光の取り出し効率と素子サイズとのバランスをとることができる。

ｎ側電極８及びｐ側電極９は、絶縁膜７に開設されたコンタクトウインド内に、所要の電極材料をスパッタリング又は真空蒸着することにより形成できる。

第１実施形態に係る半導体発光素子は、高エネルギ線の照射により電流注入阻止層３を形成したので、半導体層２に対する電流の注入範囲を所望の電流狭窄構造４内に規制することができ、ｎ側電極８とｐ側電極９との間に供給される電流を効率良く半導体層２に注入することができる。また、電流注入阻止層３は、フォトニック結晶構造形成領域６の屈折率変化の周期性に影響を与えないものを用いるので、電流狭窄構造４の外周領域におけるフォトニック結晶構造形成領域６の光取り出し効率の低下を防止できて、該部からの光の取り出し効率を高めることができる。

以下、本例に係る半導体発光素子の製造工程を、図６により説明する。まず、半導体基板１の片面に所要の半導体層２が形成された半導体発光素子を用意し、この半導体発光素子の半導体層２に高エネルギ線を選択的に照射して、電流注入阻止層３を形成する〔図６（ａ）〕。第２に、電流注入阻止層３を含む半導体層２の表面に、透明導電膜５を形成する〔図６（ｂ）〕。第３に、リアクティブイオンエッチング等により、半導体層２及び透明導電膜５にフォトニック結晶構造形成領域６を形成するための凹凸を形成する〔図６（ｃ）〕。第４に、半導体層２を加工して、ｎ−ＧａＮクラッド層１３（図２参照）を露出させる〔図６（ｄ）〕。第５に、ｎ側電極８及びｐ側電極９の形成部を除く表面に所要の絶縁膜を形成した後、コンタクトウインド内に、半導体層２のｎ−ＧａＮクラッド層１３に接続されたｎ側電極８及び半導体層２のｐ−ＧａＮコンタクト層１６に接続されたｐ側電極９を形成する〔図６（ｅ）〕。

〈第２実施形態〉
次に、本発明に係る半導体発光素子の第２実施形態を、図７及び図８に基づいて説明する。図７は第２実施形態に係る半導体発光素子の断面図、図８は第２実施形態に係る半導体発光素子の要部拡大断面図である。

第２実施形態に係る半導体発光素子１Ｂは、図７及び図８に示すように、サファイアなどの透明硬質材料からなる基板１と、基板１の片面に形成されたＧａＮ半導体層２と、ＧａＮ半導体層２の表面に形成された絶縁膜からなる電流注入阻止層１０と、電流注入阻止層１０の内端部をもって形成される電流狭窄構造４と、電流狭窄構造４及びその周辺部分を含むＧａＮ半導体層２の表面に形成されたＩＴＯや薄い金属膜などからなる透明導電膜５と、透明導電膜５の表面からＧａＮ半導体層２の内部にまで形成された微細な凹凸の規則的な集合からなるフォトニック結晶構造形成領域６と、透明導電膜５の表面を覆うＳｉＯ_２などからなる絶縁膜７と、絶縁膜７の開口部に形成され、ＧａＮ半導体層２のｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層（図８参照）にそれぞれ接続された金属材料からなるｎ側電極８及びｐ側電極９をもって構成されている。

電流注入阻止層１０を形成する絶縁膜は、発光層１４から放射される光の透過率が高い絶縁材料をもって形成され、さらに好ましくは、フォトニック結晶構造形成領域６を形成するための加工に対する加工性が半導体層２と同等の絶縁材料をもって形成される。なお、発光層１４から放射される光に対する当該絶縁膜の屈折率は、半導体層２の材料であるＧａＮと近い方が好ましいが、絶縁膜を十分に薄くできる場合には、屈折率がある程度相違しても、大きな障害とはならない。その他については、第１実施形態に係る半導体発光素子と同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して説明を省略する。本例の半導体発光素子も、第１実施形態に係る半導体発光素子と同等の効果を奏する。

なお、前記各実施形態においては、半導体層２をＧａＮにて形成したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、ＧａＡｓなどの他の半導体層を有する半導体発光素子についても、同様に実施することができる。

本発明は、光の取り出し効率が高い半導体発光素子の製造に利用することができる。

１ 半導体基板
２ ＧａＮ半導体層
３ 電流注入阻止層
４ 電流狭窄構造（電流狭窄窓）
５ 透明導電膜
６ フォトニック結晶構造形成領域
７ 絶縁膜
８ ｎ側電極
９ ｐ側電極
１０ 電流注入阻止層
１１ ノンドープＧａＮ基板
１２ ＧａＮバッファ層
１３ ｎ−ＧａＮクラッド層
１４ 発光層
１５ ｐ−ＧａＮクラッド層
１６ ｐ−ＧａＮコンタクト層

Claims (6)

1. 発光層を含む半導体層と、当該半導体層の表面に、これと接するようにして形成された透明導電膜と、前記半導体層及び前記透明導電膜を加工することにより形成されたフォトニック結晶構造形成領域と、当該フォトニック結晶構造形成領域に対して効率良く電流を注入するための電流狭窄構造とを有し、
   前記電流狭窄構造は、前記半導体層の表層部分又は前記半導体層の表面に、前記フォトニック結晶構造形成領域における屈折率変化の周期性に影響を与えず、かつ前記透明導電膜から前記半導体層への電流の注入を制限する電流注入阻止層を設けることにより形成されることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記電流注入阻止層は、前記半導体層の表層部分に、高エネルギ線を照射することにより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。
3. 前記電流注入阻止層は、前記透明導電膜と前記半導体層との間に、前記前記発光層から放射される光の透過率が高く、かつ前記フォトニック結晶構造形成領域を形成するための加工に対する加工性が前記半導体層と同等の絶縁材料からなる絶縁膜を設けることにより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。
4. 前記フォトニック結晶構造形成領域の外周と前記電流注入阻止層の内周とを、その一部においてオーバーラップさせたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記フォトニック結晶構造形成領域の外周と前記電流注入阻止層の内周とのオーバーラップ量が、前記フォトニック結晶構造形成領域における屈折率変化の周期の５周期乃至１００周期、更に好ましくは、１０周期乃至３０周期であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 前記半導体層が、ガリウムの窒化物からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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