JP2012038977A - 半導体発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第2導電型の障壁層とを少なくとも備える半導体発光ダイオードにおいて、前記半導体発光ダイオードの光取出し側の表面は、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、前記リッジ構造の平坦面の横幅Wが2λ(λ:発光波長)以下で、かつ前記活性層の中心C(リッジ構造の中心線と活性層との交点)からの光が前記傾斜面において全反射が起こる最短の地点(傾斜面の法線方向からθC=sin−1(1/n)[n:半導体層の屈折率]の角度をなす活性層の中心Cから傾斜面に向かう線(平坦面に近い側)と傾斜面との交点)から平坦面までの距離Lがλ(λ:発光波長)以下である。
【選択図】図3
Description
1)順次積層させた第1導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第2導電型の障壁層とを少なくとも備える半導体発光ダイオードにおいて、前記半導体発光ダイオードの光取出し側の表面は、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、(1)前記リッジ構造の平坦面の横幅Wが2λ(λ:発光波長)以下であること、(2)前記活性層の中心C(リッジ構造の中心線と活性層との交点)からの光が前記傾斜面において全反射が起こる最短の地点(傾斜面の法線方向からθC=sin−1(1/n)[n:半導体層の屈折率]の角度をなす活性層の中心Cから傾斜面に向かう線(平坦面に近い側)と傾斜面との交点)から平坦面までの距離Lがλ(λ:発光波長)以下であること、(3)前記活性層が平坦で、連続的あること、(4)前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層に達しないこと、を特徴とする発光ダイオード。
また、活性層が多重量子井戸の場合、全ての量子井戸が上記(1)〜(4)の条件を満たすことが望ましい。
2)前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層より0.1μm以上離れていること、を特徴とする上記1記載の発光ダイオード。
3)前記リッジ構造の傾斜面と平坦面との交差角度が90度以上150度以下であることを特徴とする上記1〜2記載の発光ダイオード。
4)前記リッジ構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする上記1〜3記載の発光ダイオード。
5)前記リッジ構造において二つの傾斜面によってV字溝を形成することを特徴とする上記1〜4記載の発光ダイオード。
6)前記半導体が閃亜鉛鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ{001}面と{111}面であることを特徴とする上記1〜5記載の発光ダイオード。
7)前記半導体がウルツ鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ{0001}面と{101―1}面であることを特徴とする上記1〜5記載の発光ダイオード。
8)前記リッジ構造が、前記光取出し側の表面層をエッチングすることによって形成されることを特徴とする上記1〜7記載の発光ダイオード。
9)前記リッジ構造が、ストライプ状の絶縁膜パターンをマスクに用いて、選択再成長法によって形成されることを特徴とする上記1〜7記載の発光ダイオード。
10)光取出し面の反対側の前記障壁層の下に分布ブラッグ反射鏡を備えることを特徴とする上記1〜9記載の発光ダイオード。
これは、基板上に、分布ブラッグ反射鏡と、第1導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第2導電型の障壁層とを順次積層させることによって実現することができる。この場合、第2導電型障壁層側の表面は光取出し面となる。
11)光取出し面の反対側の前記障壁層の下に金属ミラーを備えることを特徴とする請求項1〜9記載の発光ダイオード。
これは、基板上に、第1導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第2導電型の障壁層とを順次積層させた後、発光ダイオード試料を反転して、第2導電型障壁層側を下向きにし、反射率の高い金属薄膜(金属ミラー)を間に挟んで、他の支持基板上に貼り付け、その後、前記基板を除去した後の試料表面上に、前記リッジ構造を形成することにより、実現することができる。この場合、第1導電型障壁層側の表面は光取出し面となる。
12)前記リッジ構造の表面上に、光取出し側の最表面の半導体層より屈折率の小さい膜が前記リッジ構造の平坦面及び前記リッジ構造の傾斜面の少なくも一部を覆うように形成されていることを特徴とする上記1〜11記載の発光ダイオード。
図3は、第1の実施形態に係る発光ダイオードの断面模式図である。この試料は次の方法によって作製することができる。まず、平坦な基板201上に、有機金属気相エピタキシー(Metal−Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)や分子線エピタキシーなどのエピタキシャル成長法を用いて、第1導電型の障壁層202、発光層となる活性層204、第2導電型の障壁層203を順次成長させる。基板としては、AlGaInP系LEDの場合、GaAsなどを、InGaN系LEDの場合、サファイア、炭化珪素、シリコンなどを用いることができる。
隣り合うリッジ構造間に平坦な部分が残ると、その直下で発生した光をエバネッセント光の干渉現象を利用して外部に取り出すことができない。したがって、エバネッセント光の干渉現象を最大限発現させるためには、リッジ構造の二つの傾斜面はV字型の溝をなすことが望ましい。そして、本発明において、リッジ構造形成時の活性層へのダメージを避けるために、リッジ構造の最も低い地点、すなわち図3のV字型溝の底が活性層に達しないことが好ましい。
また、前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層より0.1μm以上離れていること(すなわち、t>0.1μm)が望ましい。0.1μm未満では、特に、リッジ構造の形成にドライエッチング法を用いた場合、活性層へのダメージを十分に避けることができないからである。
まず、図1の従来構造について、活性層の表面占有率S0(%)を、「リッジ構造の周期」に占める「活性層の横幅」の割合と定義する。簡単な幾何学的考察から、図1の試料のリッジ構造の周期Pは、リッジ平坦面幅W、V字型溝の深さd、平坦面と傾斜面との交差角度αを用いて、次のように表すことができる:P=2d×tan(α−90°)+W。したがって、活性層の表面占有率はS0(%)=W/(2d×tan(α−90°)+W)×100となる。
発光波長590〜660nmのAlGaInP系赤・黄色LEDにおいて、リッジ構造の横幅Wを0.5μm程度に設定する。また、V字型溝の深さdは、発光ダイオード構造に必要な膜厚やエバネッセント光干渉現象の発現効率を考慮して、1μm以上に設定する。さらに、傾斜面と平坦面との交差角度αは、エッチングや選択成長によって容易に得られる{001}平坦面と{111}傾斜面を有するリッジ構造の値α=126°を用いる。これらの値より、活性層の表面占有率S0は約26%程度となる。
発光波長400〜450nmのInGaN系青色LEDにおいては、{0001}平坦面と{101−1}傾斜面を有するリッジ構造が選択成長によって容易に得られ、傾斜面と平坦面との交差角度αは約118°である。また、平坦面幅W〜0.3μm、V字型溝の深さd〜0.6μmの場合、強いエバネッセント光の干渉現象が発現することは理論シミュレーションによって判明している。上記の値から、InGaNデバイスの活性層の表面占有率S0は約32%程度となった。
以上の結果から、図1の構造における活性層の表面占有率S0は、AlGaInP系及びInGaN系のいずれの場合も、30%程度であり、従来公知の平坦基板デバイス(S=100%)の1/3から1/4程度しかないことが分かる。
シミュレーションでは、{001}面GaAs基板上に形成したAlGaInP系デバイスをモデルとして想定し、リッジ構造は{001}平坦面と{111}傾斜面を有するものとした。また、物性パラメータを、リッジ平坦面幅W=0.5μm、リッジ平坦面と傾斜面との交差角度α=126°、V字型溝の深さd=0.8μm、リッジ平坦面表面から活性層までの膜厚t+d=0.9μm、第2導電型層203の屈折率n=3.3、発光波長λ=650nmとした。
また、この場合、エバネッセント光の干渉現象が発現可能な活性層面占有率S1は、S1=「エバネッセント光の干渉現象が発現可能な活性層領域の幅」/「リッジ構造の周期」=(2×0.5)/(2×0.8tan36°+0.5)×100>60%となり、図1の形状基板選択成長試料に比べて、2倍以上向上したことが分かる。
また、上記の定義から分かるように、「エバネッセント光の干渉現象が発現可能な活性層面占有率S1」はリッジ平坦面と傾斜面との交差角度αに依存する。他のパラメータを固定し、角度αだけを変化させてシミュレーションを行った結果、活性層面占有率S1は角度αの増加とともに減少し、角度αが150°以上になるとS1は約30%になり、図1の形状基板上への選択成長の場合とほぼ同程度になることが分かった。したがって、角度αは150°以下である必要がある。
さらに、ここで示していないが、{0001}面を平坦面、{101−1}面を傾斜面に持つInGaN系リッジ構造においても、同様な結果が得られている。
材料の組み合わせとしては、GaAs基板上のAlGaInP発光ダイオードの場合、AlGaAs/AlAs、AlInP/AlGaInPなどを用いることができる。また、InGaN発光ダイオードの場合、GaN/AlGaNを用いることが可能である。この構造において、活性層の下方へ放射された光の一部は、分布ブラッグ反射鏡によって上方へ反射された後、再びリッジ構造におけるエバネッセント光の干渉効果によって空気中に取り出される。これによって、さらに高い光取出し効率の実現が可能となる。
まず、図7(a)に示すように、[110]方向に5度傾斜したn型のGaAs(001)微傾斜基板301上にMOVPE法を用いて、Siドープn型GaAsバッファー層302(〜0.1μm、n=4x1018cm−3)、Siドープn型Al0.5In0.5P障壁層303(〜0.5μm、n=1x1018cm−3)、ノンドープ(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P障壁層304(〜0.1μm)、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P(7nm)単一または多重量子井戸活性層305、ノンドープ(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P障壁層304(〜0.05μm)、Znドープp型Al0.5In0.5P障壁層306(〜0.1μm、p=4x1017cm−3)、Znドープp型Al0.6Ga0.4As窓層307(〜0.6μm、p=3x1018cm−3)、Znドープp型GaAsキャップ層308(〜20nm、p=1x1019cm−3)を順次成長させた。結晶成長は630〜640℃の温度において行った。
ここで、MOVPEの原料として、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルインジウム(TMIn)、ジメチル亜鉛(DMZn)、ターシャリブチルアルシン(TBAs)、ターシャリブチルフォスフィン(TBP)を用いた。また、上記以外のMOVPE原料として、例えば、アルシン(AsH3)、フォスフィン(PH3)、トリメチルガリウム(TMGa)、ジエチル亜鉛(DEZn)、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム(Cp2Mg)などを用いることもできる。
AlGaAsは、他の窓層材料、例えばGaP、AlInP、AlGaInPに比べて、ウェットエッチング法によるリッジ構造形成が簡単である特徴を有する。
次に、上記のレジストまたは樹脂パターンをマスクとして用いて、GaAsキャップ層およびAlGaAs窓層をp型AlInP障壁層に達するまで、ウェットエッチングした。エッチング液として、H2SO4:H2O2:H2O系やH3PO4:H2O2:H2O系などを用いることができる。
これによって、5度傾斜した(001)面を平坦面、(111)A面を傾斜面とするリッジ構造が試料表面上に形成した。このように形成した(001)面の横幅は0.4〜0.6μmであった。この場合、二つの傾斜面は平坦面に対して多少左右非対称になっているが、エバネッセント光の干渉現象の発現に影響がないことはシミュレーションにより確認されている。
その後、試料の裏面全面にn型電極311となるAuGe/Ni/Au、また図示していないが、表面側の所定位置にp型電極・ボンディングパッドとなるTi/Pt/Auをそれぞれ真空蒸着した。そして、最後に、試料を450度で10分間アニール処理を行い、ITO膜の透過率、電気特性を向上させるとともにオーミック接触を形成した。
以上のプロセスによって、デバイスの作製が完了する。
図8(a)に示すように、実施例1と同じMOVPE成長法を用いて、以下のエピタキシャル層を[110]方向に5度傾斜したn型のGaAs(001)微傾斜基板301上に順次積層した:Siドープn型GaAsバッファー層302(〜0.1μm、n=4x1018cm−3)、Siドープ(Al0.5Ga0.5As/AlAs)x25周期の分布ブラッグ反射鏡320、Siドープn型Al0.5In0.5P障壁層303(〜0.5μm、n=1x1018cm−3)、ノンドープ(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P障壁層304(〜0.1μm)、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P(7nm)単一または多重量子井戸活性層305、ノンドープ(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P障壁層304(〜0.05μm)、Znドープp型Al0.5In0.5P障壁層306(〜0.1μm、p=4x1017cm−3)、Znドープp型Al0.6Ga0.4As窓層307(〜0.6μm、p=3x1018cm−3)、Znドープp型GaAsキャップ層308(〜20nm、p=1x1019cm−3)。
ここで、分布ブラッグ反射鏡の中心波長が650nmとなるように、Al0.5Ga0.5AsとAlAsの膜厚を調整した。
前述するように、このデバイスにおいて下方へ放射される光の一部は分布ブラッグ反射320によって上方へ反射された後、再度リッジ構造におけるエバネッセント光の干渉効果によって外部に取り出されるので、分布ブラッグ反射鏡のない構造よりも高い光取出し効率が得られた。
まず、図9(a)に示すように、実施例1と同じMOVPE成長法を用いて、以下のエピタキシャル層を[110]方向に5度傾斜したn型のGaAs(001)微傾斜基板301上に順次積層させた:Siドープn型GaAsバッファー層302(〜0.1μm、n=4x1018cm−3)、SiドープAl0.5In0.5Pエッチングストッパー層330(〜0.1μm、n=1x1018cm−3)、Siドープn型GaAsオーミックコンタクト層331(〜20nm、n=1x1018cm−3)、Siドープn型Al0.6Ga0.4As窓層332(〜0.6μm、n=1x1018cm−3)、SiドープAl0.5In0.5P障壁層303(〜0.1μm、n=1x1018cm−3)、ノンドープ(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P障壁層304(〜0.05μm)、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P(7nm)単一または多重量子井戸活性層305、ノンドープ(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P障壁層304(〜0.1μm)、Znドープp型Al0.5In0.5P障壁層306(〜1μm、p=4x1017cm−3)、Znドープp型GaAsキャップ層/オーミックコンタクト層308(〜20nm、p=1x1019cm−3)。
次に、上記試料表面上に金属ミラーとなるAg(200nm)/Au(500nm)多層膜を真空蒸着法により形成した。なお、Agはp型オーミック電極としても機能する。また、金属ミラーの材料として、反射率が高い金属や合金であればよく、AnZnやAuBeなどを用いることができる。
次に、エピタキシャル成長に用いた基板301を機械的研磨により100μm程度薄くした後、アンモニア水:過酸化水素水=1:20の液によるウェットエッチングによって除去した。次に、塩酸液を用いてAlInPエッチングストッパー層330を選択的に除去し、n型のGaAsオーミックコンタクト層331を露出させた。
次に、実施例1と同様な方法を用いて、n型のGaAsオーミックコンタクト層331及びn型AlGaAs窓層332をエッチングし、表面上(光取出し側)にリッジ構造を形成した。
最後に、光取出し側に透明電極310、支持基板の裏面にp型電極となるTi/Pt/Au金属膜342の蒸着、アロイ処理を行い、デバイスの作製が完了する。
まず、MOVPE法を用いて(0001)面のサファイア基板400上に、GaN低温バッファー層(〜40nm)401を550〜600℃の温度で成長させた。その後、成長温度を1040℃に上げて、Siドープのn型GaN障壁層(n=2x1018cm−3)402を約4μm成長させた。次に、温度を約760℃に下げて、GaN(10nm)/In0.15Ga0.85N(3nm)の単一または多重量子井戸活性層403を成長させた後、温度を1040℃に上げて、MgドープAl0.1Ga0.9N電子ブロック層(〜20nm)404、MgドープGaN障壁層(〜100nm)を成長させた。ここで、MOVPEの原料として、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルインジウム(TMIn)、ビスシクロペンタディエニルマグネシウム(Cp2Mg)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)を用いた。
次に、上記試料表面上に厚さ100〜200nmのITO透明導電膜409をマグネトロンスパッタリング法によって堆積させた。その後、上記試料の所定の場所をn型GaN障壁層402に達するまでドライエッチングし、n型電極(Ti/Al/Ni/Au)408を形成した。最後に、ITO透明導電膜の所定の場所にp型電極410(Ti/Au)を形成し、デバイスの作製が完了する。
102:活性層
103:障壁層
104:エバネッセント光
105:空気伝播光
106:傾斜面の法線
107:全反射臨界角
108:リッジ構造の中心線
109:屈折率の小さい薄膜
201:基板
202:障壁層(n型)
203:障壁層(p型)
204:活性層
205:エバネッセント光
206:空気伝播光
207:リッジ構造の中心線
208:全反射臨界角
209:傾斜面の法線
210:点光源
211:空気伝播光の放射方向
220:分布ブラッグ反射鏡
221:支持基板
222:金属ミラー
301:GaAs基板
302:GaAsバッファー層
303:AlInP障壁層(n型)
304:AlGaInP障壁層
305:量子井戸活性層
306:AlInP障壁層(p型)
307:AlGaAs窓層(p型)
308:GaAsキャップ層
309:レジストまたは樹脂パターン
310:透明電極
311:n型電極
320:分布ブラッグ反射鏡
330:AlInPエッチングストッパー層
331:GaAsオーミックコンタクト層(n型)
332:AlGaAs窓層(n型)
333:金属ミラー
340:支持基板(GaAs)
341: AuSn
342:p電極
400:サファイア基板
401:低温バッファー層
402:n型GaN障壁層
403:量子井戸活性層
404:AlGaN電子ブロック層
405:p型GaN障壁層
406:SiO2ストライプパターン
407:再成長GaN層
408:n型電極
409:透明電極
410:p型電極
Claims (12)
- 順次積層させた第1導電型の障壁層と、発光層となる活性層と、第2導電型の障壁層とを少なくとも備える半導体発光ダイオードにおいて、前記半導体発光ダイオードの光取出し側の表面は、一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、(1)前記リッジ構造の平坦面の横幅Wが2λ(λ:発光波長)以下であること、(2)前記活性層の中心C(リッジ構造の中心線と活性層との交点)からの光が前記傾斜面において全反射が起こる最短の地点(傾斜面の法線方向からθC=sin−1(1/n)[n:半導体層の屈折率]の角度をなす活性層の中心Cから傾斜面に向かう線(平坦面に近い側)と傾斜面との交点)から平坦面までの距離Lがλ(λ:発光波長)以下であること、(3)前記活性層が平坦で、連続的であること、(4)前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層に達しないこと、を特徴とする発光ダイオード。
- 前記リッジ構造のもっとも低い地点が前記活性層より0.1μm以上離れていることを特徴とする請求項1記載の発光ダイオード。
- 前記リッジ構造の傾斜面と平坦面との交差角度が90度以上150度以下であることを特徴とする請求項1〜2記載の発光ダイオード。
- 前記リッジ構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする請求項1〜3記載の発光ダイオード。
- 前記リッジ構造において二つの傾斜面によってV字溝を形成することを特徴とする請求項1〜4記載の発光ダイオード。
- 前記半導体が閃亜鉛鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ{001}面と{111}面であることを特徴とする請求項1〜5記載の発光ダイオード。
- 前記半導体がウルツ鉱構造半導体であり、前記リッジ構造の平坦面と傾斜面はそれぞれ{0001}面と{101―1}面であることを特徴とする請求項1〜5記載の発光ダイオード。
- 前記リッジ構造が、前記光取出し側の表面層をエッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項1〜7記載の発光ダイオード。
- 前記リッジ構造が、ストライプ状の絶縁膜パターンをマスクに用いて、選択再成長法によって形成されることを特徴とする請求項1〜7記載の発光ダイオード。
- 光取出し面の反対側の前記障壁層の下に分布ブラッグ反射鏡を備えることを特徴とする請求項1〜9記載の発光ダイオード。
- 光取出し面の反対側の前記障壁層の下に金属ミラーを備えることを特徴とする請求項1〜9記載の発光ダイオード。
- 前記リッジ構造の表面上に、光取出し側の最表面の半導体層より屈折率の小さい膜が前記リッジ構造の平坦面及び前記リッジ構造の傾斜面の少なくも一部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1〜11記載の発光ダイオード。
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