JP2011187724A

JP2011187724A - 発光素子

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Publication number: JP2011187724A
Application number: JP2010052076A
Authority: JP
Inventors: Akira Saeki; 亮佐伯
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2030-03-09
Also published as: JP5106558B2

Abstract

【課題】基板側ヘ向かう放出光の反射率を高め、光取り出し効率の改善が可能な発光素子を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板の上に設けられた第１の接合金属層と、第１コンタクト層および第１クラッド層を含む第１導電型層と、第２クラッド層を含む第２導電型層と、前記第１導電型層と前記第２導電型層との間に設けられた発光層と、を有する半導体層と、前記第１の接合金属層と接合された第１の面と、段差を有する第２の面と、を有し、前記段差の上面は前記第１コンタクト層の一部と接触した第２の接合金属層と、前記段差の底面と、前記第１導電型層と、の間に設けられ、前記発光層から放出される光に対する反射率が前記第２の接合金属層よりも高い第１誘電体多層膜と、前記第２導電型層の上に設けられたパッド電極と、を備えたことを特徴とする発光素子が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子に関する。

発光素子を用いた照明器具は、低消費電力化や長寿命化が容易であるために、その需要がますます増大することが期待される。

照明用途の発光素子は、高い発光効率を保ちつつ数百ｍＡ以上の電流駆動が可能であることが要求される。このような発光素子を並列に配置することにより、所望の明るさを備えた照明器具とすることができる。

発光層と基板との間に光反射層を設けると、基板側に向かって放出される光を効率よく光取り出し側に反射させ高い光出力を得ることが容易となる。この場合、半導体層と良好なオーミック接合を形成可能なＡｕ層は、６００ｎｍよりも短い波長範囲において光反射率が８０％よりも低くなり、光反射層としては十分とは言えない。

コンタクト金属層および反射用金属層を備えた発光素子に関する技術開示例がある（特許文献１）。この例では、化合物半導体層と主金属層との間に、接触抵抗を減ずるためのコンタクト金属層が配置されている。そして、合金化熱処理を行っても、コンタクト金属層からの成分拡散の影響が発光部に及ばない構造となっている。

特開２００５−１９４２４号公報

基板側ヘ向かう放出光の反射率を高め、光取り出し効率の改善が可能な発光素子を提供する。

本発明の一態様によれば、基板と、前記基板の上に設けられた第１の接合金属層と、第１コンタクト層および第１クラッド層を含む第１導電型層と、第２クラッド層を含む第２導電型層と、前記第１導電型層と前記第２導電型層との間に設けられた発光層と、を有する半導体層と、前記第１の接合金属層と接合された第１の面と、段差を有する第２の面と、を有し、前記段差の上面は前記第１コンタクト層の一部と接触した第２の接合金属層と、前記段差の底面と、前記第１導電型層と、の間に設けられ、前記発光層から放出される光に対する反射率が前記第２の接合金属層よりも高い第１誘電体多層膜と、前記第２導電型層の上に設けられたパッド電極と、を備えたことを特徴とする発光素子が提供される。

基板側ヘ向かう放出光の反射率を高め、光取り出し効率の改善が可能な発光素子が提供される。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿ったその模式断面図、である。図２（ａ）は単層誘電体膜の表面における光反射を説明する模式図、図２（ｂ）は誘電体多層膜の表面における光反射を説明する模式図、である。第２の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。第３の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。図５（ａ）は第４の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿ったその模式断面図、である。図６（ａ）は第５の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図６（ｂ）はＣ−Ｃに沿った模式断面図、である。第６の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる発光素子を示し、図１（ａ）は模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
発光素子は、下部電極４４、基板１０、第１の接合金属層１２、第２の接合金属層１４、誘電体多層膜１６、半導体層３１、および（ボンディング）パッド電極４２ａ、を有している。第２の接合金属層１４は、深さＳ１の段差を有している。第２の接合金属層１４の上面１４ａは、第１コンタクト層２０と接触している。また、上面１４ａとは反対側となる第２の接合金属層１４の下面１４ｂは、第１の接合金属層１２と接合されている。この金属接合はウェーハ表面を接触させ、熱圧着法などにより形成できる。また、第２の接合金属層１４の上面１４ａは、例えば図１（ａ）のように円環状などとすることができる。

基板１０は、ＳｉやＳｉＣなどからなり、導電性を有するものとする。第１の接合金属層１２はＡｕを含むものとする。また、第２の接合金属層１４は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｈなどを含むものとする。ＡｌやＡｇを用いるとＡｕよりも光反射率を高くすることができるが、酸化などにより変質を生じやすい。これに対してＡｕは安定であり、半導体からなる第１コンタクト層２０に対してオーミック接合を形成することが容易である。

誘電体多層膜１６は、第２の接合金属層１４の段差の底面１４ｃと第１コンタクト層２０との間に設けられる。なお、図１に表した具体例においては、誘電体多層膜１６は、第１コンタクト層２０と接触しているが、本発明はこれに限定されず、その間に他の誘電体層を設けてもよい。

誘電体多層膜１６は、発光層２４から放出される光に対する反射率が第２の接合金属層１４よりも高い。誘電体多層膜１６は、例えば屈折率ｎの異なる２種類の誘電体膜を交互に積層されたものとし、それぞれの膜厚および屈折率を適正に選択すると光反射率を高めることができる。誘電体膜としては、ＳｉＯ_２（ｎ＝１．５）、Ｓｉ_３Ｎ_４（ｎ＝２．０）、ＴｉＯ_２（ｎ＝２．５）、ＺｒＯ（ｎ＝２．４）、Ａｌ_２Ｏ_３（ｎ＝１．７６）、ＭｇＦ_２（ｎ＝１．４）、Ｎａ_３ＡｌＦ_６（ｎ＝１．３）、ＺｎＳ（ｎ＝２．３）、Ｔａ_２Ｏ_５（ｎ＝２．２）などの中から選択することができる。

半導体層３１は、基板１０の上に設けられた第１の接合金属層１２と、第１コンタクト層２０および第１クラッド層２２を含む第１導電型層と、少なくとも第２クラッド層２６を含む第２導電型層と、前記第１導電型層と前記第２導電型層との間に設けられた発光層２４と、を有する。なお、図１に表した具体例では、第２導電型層は、電流拡散層２８および第２コンタクト層３０を、さらに含んでいるが、本発明はこれに限定されるものではない。

第２コンタクト層３０を介してパッド電極４２ａから注入されたキャリア流Ｊは、電流拡散層２８内で拡散され、第２クラッド層２６を通って、発光層２４へ注入される。他方、下部電極４４、基板１０、第１の接合金属層１２を介して第２の接合金属層１４から注入されたキャリアは、第１クラッド層２２を通って発光層２４へ注入される。この結果、発光層２４の内部においてホールと電子とが再結合し光を放出する。すなわち、電流は、第１コンタクト層２０と第２の接合金属層１４とがオーミック接合を形成している領域を貫通して流れる。このため、発光はドット線で表す領域Ｒ近傍で生じる。光取り出し側からみて、領域Ｒの中心をパッド電極４２ａの外側領域とすると、領域Ｒにおける発光のうちパッド電極４２ａにより遮光される量を低減し、光取り出し効率を高めることができる。

発光層を含む半導体層３１の組成は、例えばＩｎＡｌＧａＰを含むものとすることができる。なお、本明細書において、ＩｎＡｌＧａＰとは、Ｉｎ_ｙ（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表され、アクセプタやドナーとなる元素を含んでもよいものとする。この場合、第１クラッド層２２、発光層２４、第２クラッド層２６、はＩｎＡｌＧａＰなどとする。電流拡散層２８は、ＩｎＡｌＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰなどのいずれかとする。第１コンタクト層２０は、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｌＧａＰなどとできる。第２コンタクト層３０は、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＡｌＧａＰなどとできる。

また、半導体層３１の組成は、ＩｎＡｌＧａＮとすることもできる。なお、本明細書において、ＩｎＡｌＧａＮとは、Ｉｎ_ｚＡｌ_ｗＧａ_{１−ｚ−ｗ}Ｎ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１）なる組成式で表され、アクセプタやドナーとなる元素を含んでいてもよいものとする。この場合、第１クラッド層２２、発光層２４、第２クラッド層２６、電流拡散層２８、第２コンタクト層３０は、ＩｎＡｌＧａＮの組成をそれぞれ適正に選択したものとする。

図２は誘電体膜表面における光反射を説明する模式図であり、図２（ａ）は単層誘電膜の模式断面図、図２（ｂ）は誘電体多層膜の模式断面図、である。
コンタクト層２１の屈折率を３．２とし、単層誘電体膜１９の屈折率を１．４５とする。図２（ａ）において、発光層２４からの放出光がコンタクト層２１から単層誘電体膜１９へ入射する場合、臨界角θｃは、略２７度となる。すなわち、２７度よりも大きな入射角θｉを有する光は、界面において全反射されるが、２７度よりも小さな入射角θｉを有する光は、単層誘電体膜１９に入射したのち内部で多重反射され上方に有効に取り出すことが困難となる。

自由空間における放出光の波長をλ０とすると、屈折率がｎ１の第１の誘電体膜の媒質内波長λ１は、式（１）で表される。

λ１＝λ０／ｎ１式（１）

屈折率がｎ２の第２の誘電体膜の媒質内波長λ２は、式（２）で表される。

λ２＝λ０／ｎ２式（２）

図２（ｂ）において、第１の誘電体膜の厚さをＴ１、第２の誘電体膜の厚さをＴ２、とする。もし、光が臨界角θｃよりも十分小さい入射角θｉで誘電体多層膜１７へ入射する場合、２種類の膜からなる厚さＴＲのペアで構成された多層膜において、１つ目のペアからの反射光と、２つ目のペアからの反射光と、の間の位相差が３６０度の整数倍であれば光が強めあい光反射率を高めることができる。すなわち、式（３）を満たすペアを積層すると反射率を高めることができる。

（Ｔ１／λ１）＋（Ｔ２／λ２）＝ｍ／２式（３）
但し、ｍは正の整数

ｍが１の場合をＢｒａｇｇ（ブラッグ）反射器と呼ぶ。Ｔ１＝λ１／４、Ｔ２＝λ２／４、とすると、構造が簡素となる。Ｂｒａｇｇ反射器を構成する２つの誘電体膜のペア数を多くすると、光が強め合い反射率をより高めることができる。例えば、ペア数を５〜２０とすると、接合金属層に設ける段差を２μｍ以下とすることができ、段差の深さＳ１を抑制できる。

発光素子がＬＥＤ(Light Emitting Diode)の場合、放出光は平行ビームとならず広がる。入射角θｉがゼロでないと、第１の誘電体膜内の光路の長さは実効的にはＴ１よりも長くなり、第２の誘電体膜内の光路の長さは実効的にはＴ２よりも長くなる。この場合、それぞれの膜厚を調整することは容易である。

本実施形態では、図１（ｂ）の光Ｇ１のように、発光強度が高い発光層２４の領域Ｒに近い光ほど入射角θｉがゼロに近づく。このために、図１（ａ）のように単層誘電体膜とするよりも光取り出し効率をより高めることができる。なお、入射角θｉが臨界角θｃよりも大きい光Ｇ２は全反射により外部に放出可能である。

すなわち、誘電体多層膜１６の表面では、入射角θｉの大きさにかかわらず、可視光波長範囲における光反射率を、第２の接合金属層１４の材料であるＡｕ層などの光反射率よりも高くすることができる。例えば、Ａｕ層の光反射率は、波長４５０ｎｍにおいて略５０％、波長５６０ｎｍにおいて略７０％、である。これに対して、光反射率が８０〜９８％となる誘電体多層膜１６を設けることは容易である。

また、たとえ、第２の接合金属層１４が、光反射率が低いＡｕ層であっても、また第１コンタクト層２０と合金層を形成し光を吸収するとしても、その領域を発光層２４の領域Ｒの下方に狭く限定できるので光損失の低減が可能である。

図３は、第２の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
本実施形態において、第２の接合金属層１４の段差の底面１４ｃと、第１コンタクト層２０と、の間に、底面１４ｃ側から、第１の誘電体多層膜１６と、誘電体膜１８と、が設けられる。例えば、誘電体多層膜１６のうち、第１コンタクト層２０に一番近い側の誘電体膜が薄すぎると、反射が不十分になることがある。誘電体膜１８を厚くすることにより、臨界角θｃよりも大きな入射角θｉを有する光を確実に全反射することができる。また、誘電体膜１８の厚さと誘電体多層膜１６との厚さとの和を段差の深さＳ１の近傍とすると第２の接合金属層１４側の表面を平坦にできる。

図４は、第３の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
第１コンタクト層２０は、第２の接合金属層１４と接合する領域以外には設けられない。すなわち、半導体層３１の第２の接合金属層１４側には、深さがＳ２の段差が設けられている。この場合、例えば第２の接合金属層１４の上面１４ａと接触させる領域を除いて第１コンタクト層２０を除去し、第１コンタクト層２０の非形成領域とし、第１クラッド層２２の面２２ａを露出させる。

続いて、面２２ａに誘電体膜１８を形成する。リフトオフ法などを用いて、深さＳ２の段差を埋めて表面を平坦にすると、平坦面で接着できるので好ましい。第１コンタクト層２０は、材料組成や形成プロセスにより光を吸収する場合がある。誘電体膜１８と接触する第１コンタクト層２０には電流が流れないので、本実施形態のように第２の接合金属層１４と接触する領域以外を第１コンタクト層２０の非形成領域とするとよい。この結果、光取り出し効率が改善できる。

続いて、誘電体膜１８の面１８ａに誘電体多層膜１６を形成し、さらに第２の接合金属層１４を形成する。第２の接合金属層１４の面１４ｂを平坦にすると、基板１０側との接合強度を高めることができる。

図５（ａ）は第４の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
上部電極５２は、パッド電極５２ａと、細線電極５２ｂと、パッド電極５２ａおよび細線電極５２ｂを電気的に接続可能な連結部５２ｃと、を有している。細線電極５２ｂは、上方からみて第１コンタクト層２０と第２の接合金属層１４との接触領域１４ａを取り囲むように設けられる。また、パッド電極５２ａと電流拡散層２８との間には、誘電体多層膜５４が設けられている。誘電体多層膜５４は、発光層２４から放出される光に対する反射率がパッド電極５２ａよりも高い。パッド電極５２ａの下方において電流が流れた領域で発光を生じるが、その光の一部はパッド電極５２ａにより遮光されるので光取り出し効率が低下する。

本実施形態のように、誘電体多層膜５４または誘電体膜を電流拡散層２８とパッド電極５２ａとの間に設けると、パッド電極５２ａの下方にはキャリアが注入されないので無駄な発光を抑制できる。細線電極５２ｂから注入されたキャリア流Ｊにより放出された光の一部Ｇ３がパッド電極５２ａに向かって進んでも、誘電体多層膜５４、１６で反射され、光取り出し効率を高めることができる。誘電体多層膜５４がパッド電極５２ａよりも高い反射率を有するので、光を高い効率で反射させ、外部に取り出すことが可能となる。

図６（ａ）は第５の実施形態にかかる発光素子の模式平面図、図６（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
電流が流れない発光層は、光の吸収率が高い。そこで、本実施形態では、非発光領域となる部分の発光層２４および電流拡散層２８を除去する。このために、光取り出し効率を高めることができる。上部電極４２のうち、ボンディングパッド領域４２ｂは、発光層が除去された領域の上とする。また、光取り出し側からみて、第１コンタクト層２０と、第２の接合金属層１４と、が接触する領域よりも、上部電極４２を大きくすると、上部電極４２による遮光量を低減できるので、光取り出し効率をさらに高めることができる。

またボンディングパッド領域４２ｂ側の半導体層３１の段差の側面に誘電体多層膜３７を設けると、側面における反射率を高め光取り出し効率を高めることが容易となる。なお、ボンディングパッド領域４２ｂを除く領域内に発光層２４を広げ、上部電極４２の開口部４２ｄの面積を広げると、より高い出力を取り出すことができる。

図７は、第６の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
光取り出し層５８の上面、側面、などに微小な凹凸５８ａを設けることができる。光取り出し層５８は、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｓＰ、およびＩｎＧａＡｌＮなどからなる電流拡散層とすることができる。また、光取り出し層５８は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide)、ＺｎＯ、ＭｇＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｓｎ_２Ｏ_３、ＧａＯ、Ｇａ_２Ｏ_３などの酸化物半導体からなる透明導電膜とすることができる。透明導電膜の場合、第２コンタクト層３０を透明導電膜と第２クラッド層２６との間に設けることができる。

例えば、平均ピッチが１０ｎｍから数μｍの範囲の凹凸５８ａが設けられると、光取り出し層５８の表面と光束との交差角度の範囲を広げることができ、全反射を低減し、光取り出し効率をさらに高めることができる。なお、ピッチは、フォトリソグラフィー法により規則的なパターン、あるいはウェットエッチング法をいたランダムパターン、のいずれであってもよい。

第１〜第６の実施形態にかかる発光素子は、誘電体多層膜をコンタクト層と、接合金属層と、の間に設け、発光層からの放出光が臨界角よりも小さい場合でも光を上方に向けて反射し、光取り出し効率を高めることができる。また、コンタクト層と接合金属との間の合金領域の面積を低減し、合金領域の光損失を低減できるので、光取り出し効率をさらに高めることができる。このような発光素子は高出力化が容易であり、照明装置、表示装置、信号機、などに広く用いることができる。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかしながら、本発明は、これらの実施形態に限定されない。本発明を構成する半導体層、発光層、コンタクト層、接合金属層、誘電体膜、誘電体多層膜、パッド電極、細線電極、Ｂｒａｇｇ反射器、などの材質、サイズ、形状、配置、などに関して、当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の範囲に包含される。

１０基板、１２第１の接合金属層、１４第２の接合金属層、１６、３７、５４誘電体多層膜、１８誘電体膜、２０第１コンタクト層、２２第１クラッド層、２４発光層、２６第２クラッド層、２８電流拡散層、３０第２コンタクト層、３１半導体層、４２上部電極、４２ａ、５２ａパッド電極、５２ｂ細線電極

Claims

基板と、
前記基板の上に設けられた第１の接合金属層と、
第１コンタクト層および第１クラッド層を含む第１導電型層と、第２クラッド層を含む第２導電型層と、前記第１導電型層と前記第２導電型層との間に設けられた発光層と、を有する半導体層と、
前記第１の接合金属層と接合された第１の面と、段差を有する第２の面と、を有し、前記段差の上面は前記第１コンタクト層の一部と接触した第２の接合金属層と、
前記段差の底面と、前記第１導電型層と、の間に設けられ、前記発光層から放出される光に対する反射率が前記第２の接合金属層よりも高い第１誘電体多層膜と、
前記第２導電型層の上に設けられたパッド電極と、
を備えたことを特徴とする発光素子。
前記第１誘電体多層膜は、前記第１コンタクト層の残余の一部と接触したことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記第１導電型層は前記第１コンタクト層の非形成領域を有し、前記非形成領域と前記第１誘電体多層膜との間に設けられた誘電体膜をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の発光素子。
前記パッド電極と前記第２導電型層との間に設けられ、前記発光層から放出される光に対する反射率が前記パッド電極よりも高い第２誘電体多層膜と、
前記パッド電極と電気的に接続され、上方からみて前記第１コンタクト層と前記第２の接合金属層との接触領域を取り囲むように設けられた細線電極と、
をさらに備え、
前記第２導電型層は、前記第２クラッド層の上方に設けられた電流拡散層と、前記電流拡散層と、前記細線電極と、の間に設けられた第２コンタクト層と、をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
前記半導体層は、前記第２導電型層側から前記第１導電型層に至る段差を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。