JP2012195321A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態に係る半導体発光素子は、積層構造体と、第1電極と、第2電極と、を備える。積層構造体は、第1導電形の第1半導体層と、第2導電形の第2半導体層と、発光層と、を含む。積層構造体は、第1半導体層側の第1主面と、第2半導体層側の第2主面と、を有する。第1電極は、第2主面の側で第1半導体層と接する第1接触部を有する。第2電極は、第2主面で第2半導体層と接する部分を有する。第1半導体層の第1主面の側の表面は、第1部分と、第2部分と、を有する。第1部分は、積層方向にみたときに、第1接触部における第1半導体層との接触面と重なる部分を有する。第2部分は、積層方向にみたときに、第2半導体層と重なる部分を有する。第2部分は、発光層から放射される発光光のピーク波長よりも長いピッチの凹凸を有する。第1部分は、第2部分の凹凸よりも平坦である。
【選択図】図1
Description
積層構造体は、第1導電形の第1半導体層と、第1半導体層の一部に対向する第2導電形の第2半導体層と、第1半導体層の前記一部と第2半導体層とのあいだに設けられた発光層と、を含む。積層構造体は、第1半導体層側の第1主面と、第2半導体層側の第2主面と、を有する。
第1電極は、第2主面の側で第1半導体層と接する第1接触部を有する。
第2電極は、第2主面で第2半導体層と接する部分を有する。
第1半導体層の第1主面の側の表面は、第1部分と、第2部分と、を有する。
第1部分は、第1半導体層から第2半導体層へ向かう積層方向にみたときに、第1接触部における第1半導体層との接触面と重なる部分を有する。
第2部分は、前記積層方向にみたときに、第2半導体層と重なる部分を有する。
第2部分は、発光層から放射される発光光のピーク波長よりも長いピッチの凹凸を有する。
第1部分は、第2部分の凹凸よりも平坦である。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、図1(a)は図2のA−A’線矢視の模式的断面図、図1(b)は部分拡大図である。
図2は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的平面図である。
図3は、第1の実施形態に係る半導体発光素子の部分拡大図である。
すなわち、図3(a)は模式的断面図、図3(b)は模式的平面図である。
第1部分11は、第1半導体層10から第2半導体層20へ向かう方向(積層方向)にみたとき、第1電極50の接触部51における第1半導体層10との接触面50cと重なる部分を有する。ここで、本実施形態では、第1半導体層10と第2半導体層20とをむすぶ方向をZ軸方向、Z軸方向と直交する方向のうち1つをX軸方向、Z軸方向及びX軸方向と直交する方向をY軸方向ということにする。積層方向は、Z軸方向である。
図4に表したように、参考例に係る半導体発光素子190では、第1半導体層10の第1主面100aに第2部分12のみが設けられている。すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子110は、第1部分11を備えているのに対し、参考例に係る半導体発光素子190は、第1部分11を備えていない。
図5(a)では、本実施形態に係る半導体発光素子での発光光の反射の様子を模式的に示している。図5(b)では、参考例に係る半導体発光素子での発光光の反射の様子を模式的に示している。図6は、本実施形態に係る半導体発光素子での発光光の別の反射の様子を模式的に示している。いずれの図も、発光層30からある角度で放射された発光光の進行及び反射の状態を模式的に示している。
接触面50cのZ軸方向からみた直径は10μmとした。接触面50cは、64μmピッチで正方形に並べた。接触面50cから第1部分11の第1主面100aまでの距離は6μmとした。発光層30から第2部分12の凹凸部12pの下までの距離は4μmとした。後述するアルカリ処理で形成した凹凸部12pの最大高さは1μm、凹部100tの角度は75度とした。残りのパラメータは後述する構造として、第1部分11の半分の幅Wをパラメータとして光取り出し効率を計算した。
図7〜図9は、半導体発光素子の製造方法の一例を順に説明する模式的断面図である。
先ず、図7(a)に表したように、サファイア等の成長用基板80の上に、第1半導体層10、発光層30及び第2半導体層20を順に結晶成長させる。これにより、成長用基板80の上に、積層構造体100を形成する。
先ず、表面がサファイアc面からなる成長用基板80の上に、バッファ層として、高炭素濃度の第1AlNバッファ層(例えば、炭素濃度が3×1018cm−3以上、5×1020cm−3以下で、例えば、厚さが3nm以上、20nm以下)、高純度の第2AlNバッファ層(例えば、炭素濃度が1×1016cm−3以上3×1018cm−3以下で、厚さが2μm)、及びノンドープGaNバッファ層(例えば、厚さが2μm)が、この順に形成される。上記の第1AlNバッファ層、及び、第2AlNバッファ層は、単結晶の窒化アルミニウム層である。第1及び第2AlNバッファ層として単結晶の窒化アルミニウム層を用いることで、後述する結晶成長において高品質な半導体層を形成することができ、結晶に対するダメージが大幅に軽減される。
なお、上記の組成、組成比、不純物の種類、不純物濃度及び厚さは一例であり、種々の変形が可能である。
これらのバッファ層を採用することで、低温成長AlNバッファ層を採用する場合と比較して、結晶欠陥を約1/10に低減することができる。この技術によって、n形GaNコンタクト層への高濃度Siドーピングや、紫外帯域発光でありながらも高効率な半導体発光素子が製造される。また、ノンドープGaNバッファ層における結晶欠陥を低減することにより、ノンドープGaNバッファ層での光の吸収も抑制される。
先ず、図9(a)に表したように、積層構造体100の一部をドライエッチングで除去し、第2電極60の一部(引き出し部63)を露出させる。次に、積層構造体100の第1主面100aの全面に誘電体45を形成し、一部に開口を設ける。誘電体45としては、例えばSiO2が用いられる。誘電体45の膜厚は、例えば800nmである。誘電体45の開口からは、例えばノンドープGaNバッファ層の表面が露出する。
また、積層構造体100において、上記の隙間は構造上最も薄い部分である。この部分に凹凸部12pを設けないことで、半導体発光素子110の機械的な強度を向上できることになる。
図10は、第2の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、図10(a)は、第2の実施形態に係る半導体発光素子(その1)を例示し、図10(b)は、第2の実施形態に係る半導体発光素子(その2)を例示している。
すなわち、半導体発光素子120及び121では、接触部51及び接合用金属部53が同じ材料によって一体的に形成されている。接触部51及び接合用金属部53には、例えばAlを含む材料が用いられる。
図11は、第3の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、図11(a)は、第3の実施形態に係る半導体発光素子(その1)を例示し、図11(b)は、第3の実施形態に係る半導体発光素子(その2)を例示している。
図12及び図13は、第4の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図12は、図13のB−B’線矢視の模式的断面図である。
図13は、第4の実施形態に係る半導体発光素子の模式的平面図である。
先ず、成長用基板80上に積層構造体100を形成する。ここまでは、第1の実施形態と同じである。
先ず、積層構造体100の一部をドライエッチングで除去し、第1電極50の一部(引き出し部63)を露出させる。次に、積層構造体100の第1主面100aの全面に誘電体45を形成し、一部に開口を設ける。誘電体45としては、例えばSiO2が用いられる。誘電体45の膜厚は、例えば800nmである。誘電体45の開口からは、例えばノンドープGaNバッファ層の表面が露出する。
本具体例では、第1の実施形態に係る半導体発光素子110が用いられているが、半導体発光装置には他の実施形態に係る半導体発光素子120、121、130及び131を用いることもできる。
半導体発光装置500は、半導体発光素子110と、蛍光体と、を組み合わせた白色LEDである。すなわち、本実施形態に係る半導体発光装置500は、半導体発光素子110と、半導体発光素子110から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する蛍光体と、を備える。
赤色蛍光体としては、例えばY2O3、YVO4、Y2(P,V)O4を母材として用いることができ、これに3価のEu(Eu3+)を付活物質として含ませる。すなわち、Y2O3:Eu3+、YVO4:Eu3+等を赤色蛍光体として用いることができる。Eu3+の濃度は、モル濃度で1%〜10%とすることができる。
緑色蛍光体としては、例えば3価のTbを発光中心とするY2SiO5:Ce3+,Tb3+を用いることができる。この場合、CeイオンからTbイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。緑色蛍光体としては、例えば、Sr4Al14O25:Eu2+を用いることができる。
また、樹脂として、例えば、シリコーン樹脂を用いることができる。特に、3価のTbは、視感度が最大となる550nm付近に鋭い発光を示すので、3価のEuの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
半導体発光装置500によれば、高効率で所望を色の光を得ることができる。
例えば、積層構造体100の形成方法としては、有機金属気相成長法のほか、分子線エピタキシャル成長法等の他の技術を用いることができる。
また、支持基板70は、導電性を有する材料であって、上記に示したGeに限定されない。支持基板70としては、Siなどの半導体基板、Cu、CuWなどの金属板を用いることができる。また、支持基板70の全体で導電性を有する必要はなく、樹脂などの絶縁性の基材の表面に金属配線等の導体が形成されているものでもよい。
量子井戸層の発光波長は、上記に限定されない。量子井戸層に、例えば、GaInNの窒化ガリウム系化合物半導体を用いる場合は375nmから700nmの発光が得られる。
第1半導体層は、発光光のピーク波長よりも長いピッチの凹凸を有する凹凸部分と、前記凹凸部分よりも平坦な平坦部分と、を有する第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有する。第1半導体層は、第1導電形である。
第2半導体層は、前記第1半導体層の前記第2面の側に設けられる。第2半導体層は、第2導電形である。
発光層は、前記第2面のうちの、前記凹凸部分の反対側の領域と、前記第2半導体層と、の間に設けられる。発光層は、前記発光光を放出する。
第1電極は、前記第2面のうちの、前記平坦部分の反対側の領域において前記第1半導体層と接する第1接触部を有する。
第2電極は、前記第2半導体層の前記発光層とは反対側で前記第2半導体層と接する部分を有する。
第1半導体層は、発光光のピーク波長よりも長いピッチの凹凸を有する凹凸部分と、前記凹凸部分よりも平坦な平坦部分と、を有する第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有する。第1半導体層は、第1導電形である。
第2半導体層は、前記第1半導体層の前記第2面の側に設けられる。第2半導体層は、第2導電形である。
発光層は、前記第2面のうちの、前記凹凸部分の反対側の領域と、前記第2半導体層と、の間に設けられる。発光層は、前記発光光を放出する。
第1電極は、前記第2面のうちの、前記平坦部分の反対側の領域において前記第1半導体層と接する第1接触部を有する。
第2電極は、前記第2半導体層の前記発光層とは反対側で前記第2半導体層と接する部分を有する。
前記第1電極は、前記平坦部分に設けられていない。
第1半導体層は、発光光のピーク波長よりも長いピッチの凹凸を有する凹凸部分と、前記凹凸部分よりも平坦な平坦部分と、を有する第1面と、前記第1面とは反対側の第2面と、を有する。第1半導体層は、第1導電形である。
第2半導体層は、前記第1半導体層の前記第2面の側に設けられる。第2半導体層は、第2導電形である。
発光層は、前記第2面のうちの、前記凹凸部分の反対側の領域と、前記第2半導体層と、の間に設けられる。発光層は、前記発光光を放出する。
第1電極は、前記第2面のうちの、前記平坦部分の反対側の領域において前記第1半導体層と接する第1接触部を有する。
第2電極は、前記第2半導体層の前記発光層とは反対側で前記第2半導体層と接する部分を有する。
前記誘電体層は、前記平坦部分を覆う。
Claims (10)
- 第1導電形の第1半導体層と、前記第1半導体層の一部に対向する第2導電形の第2半導体層と、前記第1半導体層の前記一部と前記第2半導体層とのあいだに設けられた発光層と、を含み、前記第1半導体層側の第1主面と、前記第2半導体層側の第2主面と、を有する積層構造体と、
前記第2主面の側で前記第1半導体層と接する第1接触部を有する第1電極と、
前記第2主面で前記第2半導体層と接する部分を有する第2電極と、
を備え、
前記第1半導体層の前記第1主面の側の表面は、前記第1半導体層から前記第2半導体層へ向かう積層方向にみたときに、前記第1接触部における前記第1半導体層との接触面と重なる部分を有する第1部分と、前記第2半導体層と重なる部分を有する第2部分と、を有し、
前記第2部分は、前記発光層から放射される発光光のピーク波長よりも長いピッチの凹凸を有し、
前記第1部分は、前記第2部分の前記凹凸よりも平坦であることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第1部分の凹凸のピッチは、前記発光光のピーク波長よりも短いことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記積層方向にみたときの前記第1部分の外縁は、前記積層方向にみたときの前記接触面の外縁よりも外側に位置することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記接触面の前記発光光に対する反射率は、前記第2電極の前記第2半導体層に対向する面の前記発光光に対する反射率よりも低いことを特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。
- 前記第1部分を覆う誘電体層をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記積層構造体は、前記第2主面から前記第1半導体層に達する凹部を有し、
前記第1電極は、前記凹部の底面において前記第1半導体層と接することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第1半導体層、前記発光層及び前記第2半導体層は、窒化物半導体を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記発光光のピーク波長は、370ナノメートル以上、400ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第1電極は、
前記第1接触部と電気的に接続され、前記積層方向に見たときに前記第2半導体層に重なる部分を有する第1接合用金属部を有し、
前記第1接合用金属部と、前記第2電極及び前記第2半導体層と、のあいだに設けられた絶縁層をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。 - 前記第2電極は、
前記第2主面で前記第2半導体層と接する第2接触部と、前記第2接触部と電気的に接続され、前記積層方向に見たときに前記第1電極に重なる部分を有する第2接合用金属部を有し、
前記第2接合用金属部と、前記第1電極及び前記第1半導体層と、のあいだに設けられた絶縁層をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
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