JP2012084692A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光素子1は、反射部210が複数のペア層を有し、第1の半導体層210aが、光のピーク波長をλp、第1の半導体層210aの屈折率をnA、第2の半導体層210bの屈折率をnB、第1クラッド層220の屈折率をnIn、光の入射角をθとした場合に、式(1)で定められる厚さTA1を有し、第2の半導体層210bが式(2)で定められる厚さTB1を有し、ペア層が44以上61以下のθの値の範囲で式(1)及び式(2)で規定される厚さの第1の半導体層210a及び第2の半導体層210bを含み、44以上61以下のθの値の範囲で式(1)で規定される厚さの第1の半導体層210aと式(2)で規定される厚さの第2の半導体層210bとからなるペア層を含む。
【選択図】図1A
Description
図1Aは、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面を示し、図1Bは、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子が備える反射部の模式的な断面を示す。
第1の実施の形態に係る発光素子1は、一例として、橙色光を放射する半導体発光素子としての発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。具体的に、発光素子1は、第1導電型としてのn型の半導体基板10と、半導体基板10の上に設けられるn型のバッファ層200と、バッファ層200の上に設けられるn型の化合物半導体の多層構造を有する反射部210と、反射部210の上に設けられるn型の第1クラッド層220と、第1クラッド層220の上に設けられる活性層222と、活性層222の上に設けられる第1導電型とは異なる第2導電型としてのp型の第2クラッド層224と、第2クラッド層224の上に設けられるp型の介在層230と、介在層230の上に設けられるp型の電流分散層240とを備える。
半導体基板10としては、例えば、予め定められた導電型のキャリアを含み、予め定められた範囲のキャリア濃度を有するGaAs基板を用いることができる。また、半導体基板10としては、予め設定されたオフ角度を有するオフ基板、又は、オフ角度を有さないジャスト基板を用いることができる。なお、半導体基板10上に形成する複数の化合物半導体層の種類に応じて、半導体基板10を構成する化合物半導体材料を適宜、代えることもできる。
反射部210は、半導体基板10と発光部20との間に設けられ、活性層222が発する光を反射する。具体的に、反射部210は、図1Bに示すように、複数の化合物半導体層の積層構造を含んで形成される。そして、反射部210は、第1の半導体層210aと、第1の半導体層210aとは異なる屈折率を有する第2の半導体層210bとからなるペア層を複数有して形成される。なお、本実施の形態において反射部210は、15ペア以上のペア層を有して形成される。なお、反射部210は、光を反射する機能の低下を抑制すると共に発光素子1の製造コストの増加を抑制することを目的とする場合、8μm程度以下の厚さを有することが好ましい。
発光部20は、第1クラッド層220、活性層222、及び第2クラッド層224を有する。まず、バッファ層200は、半導体基板10に接して設けられる。バッファ層200は、半導体基板10上に設けられ、例えば、予め定められた導電型のキャリアを含み、予め定められた範囲内のキャリア濃度を有する化合物半導体を用いて形成することができる。例えば、バッファ層200は、半導体基板10がn型のGaAs基板から形成される場合、n型のGaAsから形成される。また、第1クラッド層220と、活性層222と、第2クラッド層224とはそれぞれ、例えば、(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1)で表される三元系、又は四元系のIII−V族化合物半導体材料から形成される。なお、第1の実施の形態に係る活性層222は、例えば、ノンドープのGaxIn1−xP単層(ただし、0≦x≦1)から形成することもできる。
介在層230は、第2クラッド層224を構成する半導体材料と電流分散層240を構成する半導体材料とが互いに異なる場合に、第2クラッド層224と電流分散層240とのヘテロ界面の電位障壁を低減する半導体材料から形成される。具体的に、介在層230は、第2クラッド層224と電流分散層240との間に設けられる。より具体的に、介在層230は、第2クラッド層224の活性層222の反対側に設けられると共に、第2クラッド層224を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと電流分散層240を構成する半導体のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料から形成される。例えば、介在層230は、p型のGazIn1−zP(ただし、zは、一例として、0.6≦z≦0.9)から形成される。発光素子1が介在層230を備えることにより、発光素子1から製造される発光素子の順方向電圧を低減できる。
電流分散層240は、発光部20の反射部210の反対側に設けられ、発光素子1に電流が供給された場合に、活性層222の平面方向に略均一に電流が供給されるように当該電流を分散させる。また、電流分散層240は、活性層222が発する光を透過する半導体材料から形成される。例えば、電流分散層240は、p型のGaP、p型のGaAsP、又はp型のAlGaAsから形成することができる。更に、電流分散層240は、表面に凹凸部250を有する。なお、電流分散層240は、2.0μm以上10.0μm以下の厚さを有する。
凹凸部250は、電流分散層240の表面電極30が設けられる領域とは異なる表面の領域に設けられる。そして、凹凸部250は、電流分散層240の発光部20の反対側の表面を粗面化して形成される。凹凸部250は、当該表面を所定のエッチャントでエッチングすることによりランダムな形状を有して形成される。また、凹凸部250は、当該表面に予め定められたパターンを有して形成することもできる。更に、凹凸部250は、発光素子1から製造される発光素子の光取り出し効率を向上させることを目的として、算術平均粗さRaが0.04μm以上0.25μm以下であること、二乗平均粗さRMSが0.05μm以上0.35μm以下であること、及び/又は最大高さRyが1.0μm以上3.0μm以下であることが好ましい。
表面電極30は、電流分散層240の発光部20の反対側の表面に設けられる。そして、表面電極30は、電流分散層240にオーミック接触する材料から形成される。具体的に、表面電極30は、Be、Zn、Ni、Ti、Pt、Al、Au等の金属材料から選択される少なくとも1つのp型電極用の金属材料を含んで形成される。例えば、表面電極30は、電流分散層240の側から第1の表面電極層としてのAuBe層(又はAuZn層)、第2の表面電極層としてのNi層、第3の表面電極層としてのAu層の順に積層された積層構造を有して形成することができる。なお、表面電極30は、電流分散層240の介在層230の反対側の面、つまり、発光素子1の光取り出し面の一部に設けられる。
第1の実施の形態に係る発光素子1は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、半導体基板10を準備する。また、半導体基板10は、LEC法により製造した半導体のインゴットから切り出して作製できる。更に、一例としてTeを当該半導体に添加することで、半導体基板10の導電型をn型にすることができる。
第1の実施の形態に係る発光素子1は、反射部210が第二放射光(例えば、活性層222が発する光により半導体基板10を構成する化合物半導体が光励起され、半導体基板10から発せられる光)を反射する第1の半導体層210a及び第2の半導体層210bからなるペア層を有するので、発光素子1の外部に放射される第二放射光の量を低減できる。
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面の概要を示す。
図3は、本発明の第3の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面の概要を示す。
図4は、本発明の第4の実施の形態に係る発光素子の模式的な断面の概要を示す。
10 半導体基板
20、20a 発光部
30 表面電極
30a 円部分
30b 足部分
35 裏面電極
40 光取り出し層
200 バッファ層
210 反射部
210a 第1の半導体層
210b 第2の半導体層
220 第1クラッド層
221 第1アンドープ層
222 活性層
223 第2アンドープ層
224 第2クラッド層
230 介在層
240 電流分散層
242 第1の電流分散層
244 第2の電流分散層
250 凹凸部
Claims (10)
- 半導体基板と、
第1導電型の第1クラッド層と、前記第1導電型とは異なる第2導電型の第2クラッド層とに挟まれる活性層を有する発光部と、
前記半導体基板と前記発光部との間に設けられ、前記活性層が発する光を反射する反射部と、
前記発光部の前記反射部の反対側に設けられる電流分散層と
を備え、
前記反射部が、第1の半導体層と、前記第1の半導体層とは異なる第2の半導体層とからなるペア層を複数有して形成され、
前記第1の半導体層が、前記活性層が発する光のピーク波長をλp、前記第1の半導体層の屈折率をnA、前記第2の半導体層の屈折率をnB、前記第1クラッド層の屈折率をnIn、前記第1クラッド層から前記第2の半導体層への光の入射角をθとした場合に、式(1)で定められる厚さTA1を有し、
前記第2の半導体層が、式(2)で定められる厚さTB1を有し、
前記ペア層が、44以上61以下のθの値の範囲で前記式(1)及び前記式(2)で規定される厚さの前記第1の半導体層及び前記第2の半導体層を含むと共に、44以上61以下のθの値の範囲で前記式(1)で規定される厚さの前記第1の半導体層と44以上61以下のθの値の範囲で前記式(2)で規定される厚さの前記第2の半導体層とからなるペア層を含む発光素子。
- 前記第2クラッド層と前記電流分散層との間に設けられる介在層
を更に備え、
前記介在層は、前記第2クラッド層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーと、前記電流分散層を構成する半導体のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体から形成される請求項1に記載の発光素子。 - 前記ペア層が、λp/4nAの1.5倍以上の厚さTA1を有する前記第1の半導体層と、λp/4nBの1.5倍以上の厚さTB1を有する前記第2の半導体層とを含む請求項2に記載の発光素子。
- 前記反射部及び前記第2反射部が、前記活性層を構成する半導体のバンドギャップより大きなバンドギャップを有し、前記活性層から発せられる光に対して透明であるAlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1)から形成される請求項4に記載の発光素子。
- 前記第1の半導体層及び前記第2の半導体層が、互いに屈折率の異なるAlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1)又は互いに屈折率の異なる(AlyGa1−y)zIn1−zP(ただし、0≦y≦1、0.4≦z≦0.6)から形成され、
前記第3の半導体層及び前記第4の半導体層が、互いに屈折率の異なるAlxGa1−xAs(ただし、0≦x≦1))又は互いに屈折率の異なる(AlyGa1−y)zIn1−zP(ただし、0≦y≦1、0.4≦z≦0.6)から形成される請求項5に記載の発光素子。 - 前記電流分散層が、複数の電流分散層を有し、
前記複数の電流分散層のうち、前記半導体基板とは反対側に位置する電流分散層が、前記複数の電流分散層の中でキャリア濃度及び導電型を決定する不純物濃度が最も高い請求項6に記載の発光素子。 - 前記電流分散層の前記発光部の反対側の表面に設けられる表面電極と、
前記電流分散層の前記表面電極が設けられる領域とは異なる前記表面の領域に設けられる凹凸部と、
前記凹凸部の表面に設けられ、前記活性層が発する光に対して透明であり、前記電流分散層を構成する半導体の屈折率と空気の屈折率との間の屈折率を有する材料からなる光取り出し層とを更に備える請求項7に記載の発光素子。 - 前記光取り出し層が、前記活性層が発する光の波長をλp、前記光取り出し層を構成する材料の屈折率をn、定数A(ただし、Aは奇数)とした場合に、A×λp/(4×n)で規定される値の±30%の範囲内の厚さdを有する請求項8に記載の発光素子。
- 前記光取り出し層が、絶縁体、第1導電型若しくは第2導電型の酸化物、又は、第1導電型若しくは第2導電型の窒化物を含んで形成される請求項9に記載の発光素子。
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