JP2011171514A - 半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体発光装置は、支持基板30と、支持基板上に設けられた発光層12を含む半導体膜10と、半導体膜の光取り出し面側の表面に設けられた表面電極と、支持基板と半導体膜との間に設けられて半導体膜との界面において反射面を形成する反射膜20と、を含んでいる。反射膜は、半導体膜にオーミック接触して、表面電極との間で半導体膜の内部に電流経路を形成する反射電極21を含んでいる。
【選択図】図2
Description
上記したように、半導体膜10は、光取り出し面側およびこれと対向する反射面側の両表面領域を部分的に除去することにより形成された凹部60a、60bおよび凸部61a、61bを有している。すなわち、半導体膜10の除去部分が凹部60a、60bに相当し、除去部分以外の部分が凸部61a、61bに相当する。
半導体膜10の光取り出し面側の凸部61aの表面に光取り出し面側オーミック電極43が形成される。光取り出し面側の凹部60aは、反射電極21と半導体膜10との接触部の直上を含む領域に設けられている。半導体膜10の光取り出し面側の表面において凹部60aが占める割合(面積比)は、15%以上であることが好ましい。凹部60aの面積が小さくなり過ぎると光取り出し効率改善の効果が小さくなる。一方、凹部60aの面積が大きくなりすぎると、凹部60bが電流経路を遮断して電流拡散が阻害される。図5に示すように、光取り出し面側オーミック電極43から凹部60aの端部までの距離Wuは、光取り出し面側のオーミック電極43から反射面側の反射電極21までの水平距離Lの30〜70%、好ましくは40〜60%とされる。尚、水平距離とは、光取り出し面側のオーミック電極43と反射面側の反射電極21を半導体膜10の主面と平行な同一平面に投影した場合における距離をいう。光取り出し面側の凹部60aの深さHuは、半導体膜10の全体の厚さDの15%以上且つn型クラッド層11の厚さdnの25〜75%であることが好ましい。尚、半導体膜10がn型クラッド層11以外にn型の導電型を有する層を含んでいる場合には、dnは、n型の導電型を有する全ての層の厚さの合計を意味する。尚、凹部60aの形成領域は、電流拡散に寄与しない領域であるが、発光層12に至る深さまでn型クラッド層11を除去すると、除去部分において発光層12にキャリアが注入されなくなり、非発光領域が生じることになるため、n型クラッド層11を完全に除去しないことが好ましい。
半導体膜10の反射面側の凸部61bの表面に反射電極21が形成される。凸部61bは、反射膜20を介して支持基板30に接合される。反射面側の凹部60bは、光取り出し面側オーミック電極43の直下を含む領域に形成される。反射面側の凹部60bの底面は、空隙70を介して支持基板30から離間している。
図7に示すように、本実施例に係る半導体発光装置1において、半導体膜10の光取り出し面側の表面に光取り出し構造80を付加することにより、更なる光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。具体的には、半導体膜の表面を粗面化したり、半導体膜の表面に複数の突起または孔からなるフォトニック結晶を形成する。半導体膜10をテラス構造とすることにより、半導体膜10内部を伝搬する光の自己吸収を抑制することが可能となる。しかしながら、半導体膜10をテラス構造とするだけでは光の多重反射自体を効果的に防止することができない。半導体膜10の光取り出し面に微細な凹凸を形成することにより半導体膜10と周囲媒体との界面で全反射される光の量を減少させることができる。すなわち、テラス構造と光取り出し構造を組み合わせることにより、自己吸収の抑制効果と多重反射の抑制効果の相乗的な作用により、高い光出力を維持した状態で外部に光を取り出すことが可能となる。かかる構成によれば、光取り出し構造のみを有する従来構造の半導体発光装置と比較して更なる光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
半導体膜10は、有機金属気相成長法(MOCVD法)により形成した。半導体膜10の結晶成長に使用する成長用基板50として(100)面から[011]方向に15°傾斜させた厚さ300μmのn型GaAs基板を使用した。成長用基板50上に(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる厚さ3μmのn型クラッド層11を形成した。n型クラッド層11上に発光層12を形成した。発光層12は、(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5Pからなる厚さ20nmの井戸層と(Al0.56Ga0.44)0.5In0.5Pからなる厚さ10nmのバリア層とを交互に15回繰り返して積層した多重量子井戸構造とした。尚、井戸層のAl組成は発光波長に合わせて0≦z≦0.4の範囲で調整することができる。発光層12上に(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる厚さ1μmのp型クラッド層13を形成した。尚、n型クラッド層11およびp型クラッド層13のAl組成zは、0.4≦z≦1.0の範囲で調整することができる。p型クラッド層13上にGa0.9In0.1Pからなる厚さ1.5μmのp型コンタクト層14を形成した。p型コンタクト層14のIn組成は、発光層12からの光を吸収しない範囲で調整することができる。これらの各層により厚さ6μmの半導体膜10が構成される(図8(a))。尚、V族原料としてホスフィン(PH3)を使用し、III族原料としてトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMI)の有機金属を使用した。また、n型不純物であるSiの原料としてシラン(SiH4)を使用し、p型不純物であるZnの原料としてジメチルジンク(DMZn)を使用した。成長温度は750〜850℃であり、キャリアガスに水素を使用し、成長圧力は10kPaとした。
反射面側であるp型コンタクト層14を加工することにより半導体膜10の反射面側にテラス構造を形成した。p型コンタクト層14の上にSiO2からなるマスクを形成し、マスク開口部において露出している部分のp型コンタクト層14をドライエッチングにより除去して凹部60bを形成した。凹部60bの形成に伴って、凸部61bが形成される。エッチング時間を制御することにより凹部60bの深さを1.5μmとした。これは、p型コンタクト層14とp型クラッド層13とを含めたp型半導体層の厚さの60%、半導体膜10の全体の厚さの25%に相当する。半導体膜10の反射面側の表面において凹部60bが占める割合(面積比)を30%とした(図8(b))。尚、凹部60bの底面がp型クラッド層13に及んでいても構わないが、発光層12に至る深さまでエッチングしない。エッチング方法としてウェットエッチングを使用することも可能である。
プラズマCVD法により凹部60bおよび凸部61bの表面を覆うようにp型コンタクト層14上に誘電体膜22を構成するSiO2膜を形成した。SiO2膜の膜厚tは、真空中の発光波長をλ0、SiO2膜の屈折率をn、任意の整数をmとすると、t=m・λ0/4nを満たすように設定する。ここで、λ0=625nm、n=1.45、m=3として、誘電体膜22の膜厚tを320nmとした。続いて、SiO2膜上にレジストマスクを形成した後、バッファードフッ酸(BHF)を用いたエッチングを行うことにより、SiO2膜に反射電極に対応したパターニングを施した。SiO2膜を除去した部分において開口部が形成され、この開口部においてp型コンタクト層14が露出する。尚、SiO2膜の成膜方法として熱CVD法やスパッタ法を用いることもできる。また、SiO2膜のエッチング方法としてドライエッチング法を用いることも可能である。誘電体膜22の材料としては、SiO2以外にもSi3N4やAl2O3等の他の透明な誘電体材料を用いることができる。
半導体膜10を支持するための支持基板30としてp型不純物を添加することにより導電性が付与されたSi基板を用いた。EB蒸着法により、支持基板30の両面にPtからなる厚さ200nmのオーミック金属層31、32を形成した。続いて、スパッタ法によりオーミック金属層32上にTi(150nm)、Ni(100nm)、AuSn(600nm)を順次堆積して接合層33を形成した。AuSn層は、共晶接合材として使用され、組成はAuが70〜80wt%、Snが20〜30wt%であることが望ましい。Ni層は、共晶接合材に対する濡れ性を向上させる機能を有する。Niの代替としてNiVやPtを使用することも可能である。Ti層は、Niとオーミック金属層32との密着性を向上させる機能を有する。尚、オーミック金属層31、32は、Ptに限らずSi基板との間でオーミック性接触を形成し得る他の材料、例えばAu、Ni、Tiなどを用いることができる。また、支持基板30は、導電性および高熱伝導性を備えた他の材料、例えばGe、Al、Cuなどで構成されていてもよい。
半導体膜10の結晶成長に使用した成長用基板50をアンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより除去した。尚、成長用基板50を除去する方法として、ドライエッチング法、機械研磨法、化学機械研磨法(CMP)を用いてもよい。(図9(b))。
成長用基板50を除去することにより表出したn型クラッド層11を加工することにより半導体膜10の光取り出し面側にテラス構造を形成した。n型クラッド層11の上にSiO2からなるマスクを形成し、マスク開口部において露出している部分のn型クラッド層11をドライエッチングにより除去することにより光取り出し面側の凹部60aを形成した。凹部60aの形成に伴って、光取り出し面側の凸部61aが形成される。エッチング時間を制御することにより凹部60aの深さを1.5μmとした。これは、n型クラッド層11の厚さの50%、半導体膜10の全体の厚さの25%に相当する。半導体膜10の光取り出し面側の表面において凹部60aが占める割合(面積比)を70%とした(図10(a))。尚、エッチング方法としてウェットエッチングを使用することも可能である。
n型クラッド層11の表面を微細加工することにより光取り出し効率向上のためのフォトニック結晶80を形成した。フォトリソグラフィおよびリフトオフ法によりn型クラッド層11上に人工的周期構造のマスクを形成した後、ドライエッチングによりn型クラッド層11の表面に三角格子配列、周期500nm、高さ600nm、アスペクト比1.2の複数の円錐状の突起を形成した(図10(b))。尚、マスクパターンの形成には、EBリソグラフィ、ナノインプリント等の微細加工技術を使用することも可能である。また、フォトニック結晶の形態は、円錐状突起に限らず円柱状突起や角錐状突起であってもよく、複数の孔や溝より構成されるものであってもよい。また、ウェットエッチングによりn型クラッド層11の表面を粗面化することにより光取り出し構造を形成してもよい。光取り出し面側の電極形成領域には、適宜マスクを設けた後に上記処理を行うこととしてもよい。また、光取り出し構造は、凸部61aの傾斜面上に設けられていてもよい。
n型クラッド層11上にオーミック電極43、ショットキー電極41および接続配線42を形成した。EB蒸着法によりn型クラッド層11との間でオーミック性接触を形成するAuGeNiをn型クラッド層11上に堆積させた後、リフトオフ法によりパターニングを行ってオーミック電極43を形成した。続いて、EB蒸着法によりn型クラッド層11との間でショットキー接触を形成するTi(100nm)をn型クラッド層11上に堆積させ、更にTi上にAu(1.5μm)を堆積した。その後、リフトオフ法によりパターニングを行ってショットキー電極41および接続配線42を形成した。尚、オーミック電極43の材料としてAuGe、AuSn、AuSnNi等を使用することも可能である。また、ショットキー電極43としてTa、Wもしくはこれらの合金またはこれらの窒化物を使用することも可能である。次に、n型クラッド層11とオーミック電極43との間でオーミック性接触の形成を促進させるために400℃の窒素雰囲気下で熱処理を行った(図10(c))。以上の各工程を経て半導体発光装置1が完成する。
はじめに、半導体膜を薄膜化した場合の光の自己吸収の抑制効果を検討した。図12は、その効果を見積もった結果を示している。図12において、横軸は半導体膜11を薄膜化した割合を示しており、縦軸は半導体膜内部を伝搬する光の自己吸収の抑制効果を示している。光の自己吸収量は、半導体膜内部における光の伝搬距離(光路長)に対して指数関数的に増加する。このため、光出力は、半導体膜の膜厚の変化率に対してより大きな割合で増加する。例えば、半導体膜の膜厚を50%削減することにより、光の自己吸収を約65%低減できるものと見込まれる。
11 n型クラッド層
12 発光層
13 p型クラッド層
14 p型コンタクト層
20 反射膜
21 反射電極
22 誘電体膜
30 支持基板
41 光取り出し面側ショットキー電極
43 光取り出し面側オーミック電極
60a 光取り出し面側凹部
60b 反射面側凹部
61a 光取り出し面側凸部
61b 反射面側凸部
Claims (12)
- 支持基板と、前記支持基板上に設けられた発光層を含む半導体膜と、前記半導体膜の光取り出し面側の表面に設けられた表面電極と、前記支持基板と前記半導体膜との間に設けられて反射面を形成する反射膜と、を含む半導体発光装置であって、
前記反射膜は、前記半導体膜にオーミック接触して、前記表面電極との間で前記半導体膜の内部に電流経路を形成する反射電極を含み、
前記反射電極は、前記半導体膜の厚さ方向において前記表面電極と重ならない位置において前記半導体膜と接触し、
前記半導体膜は、少なくとも前記反射面側の表面において、前記表面電極の直下を含む領域に設けられ前記光取り出し面側に凹んでいる反射面側凹部と、前記半導体膜が前記反射電極と接している部分を含む領域に設けられ前記反射膜を介して前記支持基板と接合している反射面側凸部を有し、
前記反射膜は、前記反射面側凹部および前記反射面側凸部の表面を覆っていることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記反射面側凹部は、前記電流経路と交差していないことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
- 前記半導体膜は、前記発光層を間に挟むp型半導体層およびn型半導体層を含み、
前記反射面側凹部は、前記p型半導体層又は前記n型半導体層を部分的に除去することにより形成され、
前記反射面側凹部の深さは、前記反射面側凹部が形成されているp型半導体層又はn型半導体層の厚さの25%以上75%以下であり且つ前記半導体膜の全体の厚さの15%以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光装置。 - 前記半導体膜の前記反射面側の表面において、前記反射面側凹部の形成領域が占める割合は15%以上且つ50%以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
- 前記表面電極は、前記半導体膜との間でオーミック性接触を形成するオーミック電極を含み、
前記半導体膜は、前記光取り出し面側の表面において、前記オーミック電極と接している部分を除く領域に設けられ前記反射面側に凹んでいる光取り出し面側凹部を更に有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の半導体発光装置。 - 前記光取り出し面側凹部は、前記電流経路と交差していないことを特徴とする請求項5に記載の半導体発光装置。
- 前記半導体膜は、前記発光層を間に挟むp型半導体層およびn型半導体層を含み。
前記光取り出し面側凹部は、前記p型半導体層又は前記n型半導体層を部分的に除去することにより形成され、
前記光取り出し面側凹部の深さは、前記光取り出し面側凹部が形成されているp型半導体層又はn型半導体層の厚さの25%以上75%以下であり且つ前記半導体膜の全体の厚さの15%以上であることを特徴とする請求項5又は6に記載の半導体発光装置。 - 前記光取り出し面側凹部は、前記反射電極と前記半導体膜との接触部の直上を含む領域に設けられていることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
- 前記半導体膜の前記光取り出し面側の表面において、前記光取り出し面側凹部の形成領域が占める割合は15%以上であることを特徴とする請求項5乃至8のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
- 前記表面電極は、前記半導体膜との間でショットキー接触を形成するショットキー電極を更に含み、
前記ショットキー電極は、前記反射面側凸部の上方に設けられていることを特徴とする請求項5乃至9のいずれか1つに記載の半導体発光装置。 - 前記光取り出し面側凹部の輪郭と前記反射面側凸部の輪郭は、前記半導体膜の厚さ方向において重なっていることを特徴とする請求項5乃至10のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
- 前記半導体膜は、前記光取り出し面側の表面において前記発光層から放射された光を外部に取り出すための複数の突起又は孔又は溝を更に有することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1つに記載の半導体発光装置。
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