JP2013030634A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】n型半導体層と、通電により発光波長λの光を出射する発光層と、p型半導体層160と、発光層から出射される光に対する透過性および導電性を備えるとともに第1屈折率n1を有する透明導電層170と、発光層から出射される光に対する透過性および絶縁性を備えるとともに第1屈折率n1よりも低い第2屈折率n2を有する透明絶縁層180と、発光層から出射される光に対する反射性を備えるp金属反射層202とが積層された半導体発光素子1において、透明導電層170の第1膜厚t1は、(λ/4n1)×(A−0.5)≦t1≦(λ/4n1)×(A+0.5)の関係を有し、透明絶縁層180の第2膜厚t2は、(λ/4n2)×(B−0.5)≦t2≦(λ/4n2)×(B+0.5)の関係を有する。ただし、Aは正の偶数、Bは正の奇数である。
【選択図】図3
Description
本発明は、半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることを目的とする。
[1]第1導電型を有する化合物半導体で構成される第1半導体層と、
第1半導体層に積層され、通電により発光する発光層と、
第1導電型とは異なる第2導電型を有する化合物半導体で構成され、発光層に積層される第2半導体層と、
発光層から出射される光に対する透過性および導電性を備えるとともに第1屈折率を有する材料で構成され、第2半導体層に積層される透明導電層と、
発光層から出射される光に対する透過性および絶縁性を備えるとともに第1屈折率よりも低い第2屈折率を有する材料で構成され、厚さ方向に貫通する貫通孔を有するとともに透明導電層に積層される透明絶縁層と、
第1半導体層と電気的に接続される第1電極と、
発光層から出射される光に対する反射性および導電性を有する金属材料で構成され、貫通孔を介して露出する透明導電層および透明絶縁層を覆うように積層される金属反射層を有する第2電極と
を備え、
透明導電層の膜厚を第1膜厚t1、透明絶縁層の膜厚を第2膜厚t2、第1屈折率をn1、第2屈折率をn2、発光層から出射される光の波長をλとし、Aを正の偶数、Bを正の奇数とした場合に、
第1膜厚t1は、
(λ/4n1)×(A−0.5)≦ t1 ≦(λ/4n1)×(A+0.5)
の関係を有し、
第2膜厚t2は、
(λ/4n2)×(B−0.5)≦ t2 ≦(λ/4n2)×(B+0.5)
の関係を有していることを特徴とする半導体発光素子。
[2]透明導電層と同一の材料から構成され、透明絶縁層および透明絶縁層に形成された貫通孔を介して露出する透明導電層の上に積層される密着層をさらに備え、
密着層の膜厚を第3膜厚t3としたとき、第1膜厚t1および第3膜厚t3の総和は、
(λ/4n1)×(A−0.5)≦(t1+t3)≦(λ/4n1)×(A+0.5)
の関係を有していることを特徴とする[1]記載の半導体発光素子。
[3]第1半導体層は、電子をキャリアとするIII−V族化合物半導体で構成され、
第2半導体層は、正孔をキャリアとするIII−V族化合物半導体で構成されることを特徴とする[1]または[2]記載の半導体発光素子。
[4]第1半導体層および第2半導体層は、III族窒化物半導体で構成されることを特徴とする[3]記載の半導体発光素子。
[5]透明導電層は、IZO(Indium Zinc Oxide) またはITO(Indium tin Oxide)から構成されることを特徴とする[1]乃至[4]のいずれかに記載の半導体発光素子。
[6]透明絶縁層は、二酸化ケイ素、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム及び酸化アルミニウムからなる群から選ばれた一種の材料から構成されることを特徴とする[1]乃至[5]のいずれかに記載の半導体発光素子。
[7]金属反射層は、銀または銀を含む合金から構成されることを特徴とする[1]乃至[6]のいずれかに記載の半導体発光素子。
第1半導体層に積層され、通電により発光する発光層と、
第1導電型とは異なる第2導電型を有する化合物半導体で構成され、発光層に積層される第2半導体層と、
第2半導体層に積層され、発光層から出射される光に対する透過性および導電性を備えるとともに第1屈折率を有する材料で構成され、第1半導体層とともに外部からの給電に用いられる透明導電層と、
発光層から出射される光に対する透過性および絶縁性を備えるとともに第1屈折率よりも低い第2屈折率を有する材料で構成され、透明導電層に積層される透明絶縁層と、
発光層から出射される光に対する反射性を有する材料で構成され、透明絶縁層に積層される反射層とを備え、
透明導電層の膜厚を第1膜厚t1、透明絶縁層の膜厚を第2膜厚t2、第1屈折率をn1、第2屈折率をn2、発光層から出射される光の波長をλとし、Aを正の偶数、Bを正の奇数とした場合に、
第1膜厚t1は、
(λ/4n1)×(A−0.5)≦ t1 ≦(λ/4n1)×(A+0.5)
の関係を有し、
第2膜厚t2は、
(λ/4n2)×(B−0.5)≦ t2 ≦(λ/4n2)×(B+0.5)
の関係を有していることを特徴とする半導体発光素子。
[9]反射層は、導電性を備える材料で構成され、透明導電層と電気的に接続されることを特徴とする[8]記載の半導体発光素子。
[10]透明絶縁層は、厚さ方向に貫通する貫通孔を複数有し、
反射層は、複数の貫通孔を介して透明導電層と電気的に接続されることを特徴とする[9]記載の半導体発光素子。
(半導体発光素子)
本実施の形態の半導体発光素子1は、基板110と、基板110上に積層される中間層120と、中間層120上に積層される下地層130とを備える。また、半導体発光素子1は、下地層130上に積層される第1半導体層の一例としてのn型半導体層140と、n型半導体層140上に積層される発光層150と、発光層150上に積層される第2半導体層の一例としてのp型半導体層160とをさらに備える。なお、以下の説明においては、必要に応じて、これらn型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160を、まとめて積層半導体層100と呼ぶ。
また、この半導体発光素子1においては、上方に向けてn型半導体層140の上面140cが露出するように、積層されたp型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140が、一部の領域において厚さ方向に切り欠かれている。
さらにまた、この半導体発光素子1は、発光層150から出力される光に対する透過性および絶縁性を有し、透明導電層170の上面から、p型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140の側面を介して、n型半導体層140の上面140cに至るように、一体的に積層される透明絶縁層180を備えている。
ここで、発光層150の発光波長λ(nm)における、透明導電層170の屈折率を第1屈折率n1とし、透明絶縁層180の屈折率を第2屈折率n2としたとき、両者はn1>n2の関係を有している。
なお、本実施の形態では、p電極200においてp導体部210およびpパッド部220が一体化した構造を有しているのであるが、このことについては後述する。
<基板>
基板110としては、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。例えば、サファイア、SiC、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化タングステン、酸化モリブデン等からなる基板を用いることができる。
また、上記基板の中でも、特に、C面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。サファイア基板を用いる場合は、サファイアのC面上に中間層120(バッファ層)を形成するとよい。
中間層120は、基板110と下地層130との格子定数の違いを緩和し、特にC面を主面とするサファイアで基板110を構成した場合には、基板110の(0001)面(C面)上にc軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、中間層120の上に単結晶の下地層130を積層すると、より一層結晶性の良い下地層130が積層できる。なお、本発明においては、中間層120の形成を行うことが好ましいが、必ずしも行わなくても良い。
中間層120は、例えば、多結晶のAlxGa1-xN(0≦x≦1)からなる厚さ0.01μm〜0.5μmのものとすることができる。中間層120の厚みが0.01μm未満であると、中間層120により基板110と下地層130との格子定数の違いを緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、中間層120の厚みが0.5μmを超えると、中間層120としての機能には変化が無いのにも関わらず、中間層120の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下するおそれがある。
特に、中間層120としてAlNを用いる場合には、中間層120の厚みを25nm〜50nmとすることが好ましい。中間層120の厚みをこの範囲にすることで、中間層120上に積層される下地層130および積層半導体層100(n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160)の結晶性が良好になるとともに、中間層120において、発光層150から出射される光に対する透過率の低下を防止できるからである。
下地層130としては、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)を用いることができるが、AlxGa1-xN(0≦x<1)を用いると結晶性の良い下地層130を形成できるため好ましい。
下地層130の厚さは0.1μm以上が好ましく、より好ましくは0.5μm以上であり、1μm以上が最も好ましい。この厚さ以上にした方が、結晶性の良好な下地層130を得やすい。
下地層130の結晶性を良くするためには、下地層130には不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、p型あるいはn型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することができる。
積層半導体層100は、図2に示すように、基板110上に、n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160の各層が、この順で積層されて構成されている。また、n型半導体層140、発光層150およびp型半導体層160の各層は、それぞれ、複数の半導体層から構成してもよい。
ここで、n型半導体層140は、第1導電型の一例として、電子をキャリアとして電気伝導を行うn型の導電型を有するものであり、p型半導体層160は、第2導電型の一例として、正孔をキャリアとして電気伝導を行うp型の導電型を有するものである。
n型半導体層140は、nコンタクト層(図示せず)とnクラッド層(図示せず)とから構成されるのが好ましい。なお、nコンタクト層はnクラッド層を兼ねることも可能である。また、前述の下地層130をn型半導体層140に含めてもよい。
nコンタクト層としては、AlxGa1-xN層(0≦x<1、好ましくは0≦x≦0.5、さらに好ましくは0≦x≦0.1)から構成されることが好ましい。
また、nコンタクト層にはn型不純物がドープされていることが好ましい。n型不純物を1×1017/cm3〜1×1020/cm3、好ましくは1×1018/cm3〜1×1019/cm3の濃度で含有すると、n電極300との良好なオーミック接触を維持できる点で好ましい。n型不純物としては、例えば、Si、GeおよびSn等が挙げられ、好ましくはSiおよびGeが挙げられる。
nクラッド層はAlGaN、GaN、GaInNなどで形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。nクラッド層をGaInNで形成する場合には、発光層150のGaInNのバンドギャップよりも大きくすることが望ましい。なお、本明細書では、AlGaN、GaInNについて、各元素の組成比を省略した形で記述する場合がある。
nクラッド層の厚さは、特に限定されないが、好ましくは5nm〜500nmであり、より好ましくは5nm〜100nmである。
また、nクラッド層は、n側第1層とn側第2層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよく、この場合には、GaInNとGaNとの交互構造又は組成の異なるGaInN同士の交互構造であることが好ましい。
n型半導体層140の上に積層される発光層150としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造などを採用することができる。
量子井戸構造の井戸層としては、Ga1-yInyN(0<y<0.4)からなるIII族窒化物半導体層が通常用いられる。また、多重量子井戸構造の発光層150を用いる場合は、上記Ga1-yInyNを井戸層とし、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいAlzGa1-zN(0≦z<0.3)を障壁層とする。井戸層および障壁層には、設計により不純物をドープしてもしなくてもよい。
p型半導体層160は、pクラッド層(図示せず)とpコンタクト層(図示せず)とから構成されるのが好ましい。なお、pコンタクト層はpクラッド層を兼ねることも可能である。
pクラッド層は、発光層150へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入とを行なう層である。
pクラッド層としては、発光層150のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層150へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、例えばAlxGa1-xN(0<x≦0.4)を用いることができる。pクラッド層が、このようなAlGaNからなると、発光層150へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
また、pクラッド層は、上述したnクラッド層と同様に超格子構造としてもよく、この場合には、組成比が異なるAlGaNと他のAlGaNとの交互構造または組成が異なるAlGaNとGaNとの交互構造であることが好ましい。
pクラッド層の厚さは、特に限定されないが、好ましくは1nm〜400nmであり、より好ましくは5nm〜100nmである。
pコンタクト層のp型不純物濃度は、1×1018/cm3〜1×1021/cm3が好ましく、より好ましくは5×1019/cm3〜5×1020/cm3である。p型不純物濃度が上記範囲であると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持が可能となる点で好ましい。p型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Mg等が挙げられる。
pコンタクト層の厚さは、特に限定されないが、10nm〜500nmが好ましく、より好ましくは50nm〜200nmである。pコンタクト層の厚さが上記範囲にあると、発光出力の点で好ましい。
なお、pコンタクト層の屈折率は、第1屈折率n1よりも大きいことが好ましい。
透明導電層170は、積層半導体層100の上面のうち、p型半導体層160の上面における周縁部、及び、露出するn型半導体層140の上面140cを除いてほぼ全面を覆うように形成されている。
透明導電層170は、p型半導体層160とオーミックコンタクトがとれ、しかもp型半導体層160との接触抵抗が小さいものを用いることが好ましい。また、この半導体発光素子1では、発光層150からの光を、透明導電層170および透明絶縁層180等を介して基板110側に取り出すことから、透明導電層170は光透過性に優れたものを用いることが好ましい。さらにまた、p型半導体層160の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、透明導電層170は優れた導電性を有し、且つ、抵抗分布が少ないものを用いることが好ましい。
これらの材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段によって設けることで、透明導電層170を形成することができる。そして、透明導電層170を形成した後に、熱処理を施して結晶化を促進させることにより、透明導電層170の光透過率が上がるとともに、シート抵抗が下がることでオーミックコンタクトが取りやすくなる。
透明導電層170に用いる膜としては、比抵抗が低くなる組成を使用することが好ましい。例えば、IZO中のZnO濃度は1〜20質量%であることが好ましく、5〜15質量%の範囲であることが更に好ましく、10質量%であると特に好ましい。
Q1=λ/4n1 …(1)
本実施の形態において、透明導電層170の膜厚を第1膜厚t1(図3参照)とすると、第1膜厚t1は、以下に示す式(2)の範囲で設定される。ただし、Aは正の偶数である。
(A−0.5)×Q1 ≦ t1 ≦ (A+0.5)×Q1 …(2)
この理由については後段で説明する。
なお、透明導電層170のシート抵抗が上昇するのを抑制するためには、透明導電層170の第1膜厚t1は、3.5Q1以上であることがより好ましい。この例において、透明導電層170の第1膜厚t1は、200nm(≒4Q1)である。
透明絶縁層180は、例えば図2に示すように、透明導電層170、透明導電層170が積層されていないp型半導体層160、および発光層150が積層されていないn型半導体層140をそれぞれ覆うように積層されている。また、透明絶縁層180は、各層の表面を覆うだけでなく、発光層150およびp型半導体層160の側面、すなわちp型半導体層160とn型半導体層140とで形成される段差の壁部にあたる部分を覆い、さらに透明導電層170の側面も覆う。
Q2=λ/4n2 …(3)
本実施の形態において、透明導電層170の上に積層される透明絶縁層180の膜厚を第2膜厚t2(図3参照)とすると、第2膜厚t2は、以下に示す式(4)の範囲で設定される。ただし、Bは正の奇数である。
(B−0.5)×Q2 ≦ t2 ≦ (B+0.5)×Q2 …(4)
この理由については後段で説明する。
なお、この例において、透明絶縁層180の第2膜厚t2は、380nm(≒5Q2)である。
図3は、本実施の形態の半導体発光素子1におけるp電極200周辺の断面構成の一例を示す図である。ここで、図3は、図2におけるp電極200周辺の断面を拡大したものとなっている。
[p密着層]
p密着層201は、例えば図3に示したように、透明絶縁層180の上面、透明絶縁層180に設けられた貫通孔の内壁面および各貫通孔を介して露出する透明導電層170の上面に沿って積層されている。そして、p密着層201の上には、p金属反射層202が積層されている。このp密着層201は、これら透明導電層170、透明絶縁層180およびp金属反射層202を構成する材料の物理的な密着性を高めるために設けられている。
したがって、p密着層201として、透明導電層170、透明絶縁層180およびp金属反射層202との密着性が良い材料を用いることが好ましい。
なお、p密着層201として、導電性を有し且つ極めて薄く形成された金属からなる透光性金属薄膜を用いても良い。透光性金属薄膜としては、白金やチタン等の薄膜を用いることができる。
なお、透明導電層170とp密着層201とを同一の材料で形成する場合、貫通孔を介して露出する透明導電層170上に積層されるp密着層201の膜厚を第3膜厚t3とすると、第1膜厚t1および第3膜厚t3の総和は、以下に示す式(5)の範囲で設定されることが好ましい。
(A−0.5)×Q1 ≦(t1+t3)≦(A+0.5)×Q1 …(5)
これにより、半導体発光素子1の光取り出し効率が低下するのを抑制することができる。
p金属反射層202は、図3に示したように、p密着層201に沿って積層される。したがって、p金属反射層202は、透明絶縁層180に設けられた貫通孔の形状に従って屈曲した形状を有している。また、p金属反射層202の上には、p拡散防止層203が積層されている。
p金属反射層202は、発光層150から出射され、透明導電層170および透明絶縁層180を通過してきた光を、基板110側に向けて反射させるために設けられている。ここで、本実施の形態では、p密着層201を介して透明絶縁層180とp金属反射層202とを配置することにより、これら透明絶縁層180およびp金属反射層202が直接には接触しない構造となっている。また、p金属反射層202は、p電極200の構成要素の1つとなっていることから、自身の抵抗が低く且つp密着層201との接触抵抗が低く抑えられるものを用いることが好ましい。
p拡散防止層203は、図3に示したように、p金属反射層202の上に積層され、且つ、その上にはpボンディング層204が積層される。なお、p拡散防止層203は、透明絶縁層180に形成された貫通孔の形状に倣って、凹凸を有している。
p拡散防止層203は、接触状態にあるp金属反射層202を構成する金属(この例では銀合金)、および、接触状態にあるpボンディング層204を構成する金属(この例では金(詳細は後述))の拡散を、それぞれ抑制するために設けられている。ここで、本実施の形態では、p拡散防止層203を介してp金属反射層202とpボンディング層204とを配置することにより、これらp金属反射層202およびpボンディング層204が直接には接触しない構造となっている。また、p拡散防止層203は、p電極200の構成要素の1つとなっていることから、自身の抵抗が低く且つp金属反射層202およびpボンディング層204との接触抵抗がそれぞれ低く抑えられるものを用いることが好ましい。なお、p拡散防止層203は、発光層150からの光を透過させる機能を基本的に必要としないので、上述したp密着層201とは異なり、光透過性を有している必要はない。
pボンディング層204は、図3に示したように、p拡散防止層203の上に積層され、且つ、その上には最終的に外部に露出させる一部の領域を除いてp保護密着層205が積層される。なお、pボンディング層204は、透明絶縁層180に形成された貫通孔に倣って、凹凸を有している。
pボンディング層204は、外部と電気的に接続されることによりp電極200に給電を行うために設けられている。ここで、本実施の形態では、p拡散防止層203を介してp金属反射層202とpボンディング層204とを配置することにより、これらp金属反射層202とpボンディング層204が直接には接触しない構造となっている。また、pボンディング層204は、p電極200の構成要素の1つとなっていることから、自身の抵抗が低く且つp拡散防止層203との接触抵抗が低く抑えられるものを用いることが好ましい。なお、pボンディング層204は、p拡散防止層203と同様、発光層150からの光を透過させる機能を基本的に必要としないので、光透過性を有している必要はない。
p保護密着層205は、図3に示したように、pボンディング層204のうち最終的に外部に露出させる一部の領域を除く部位に積層され、且つ、その上には保護層400が積層される。このp保護密着層205は、これら2つの層を構成する材料の物理的な密着性を高めるために設けられている。
図4は、本実施の形態の半導体発光素子1におけるn電極300周辺の断面構成の一例を示す図である。ここで、図4は、図2におけるn電極300周辺の断面を拡大したものとなっている。
[n密着層]
n密着層301は、図4に示したように、透明絶縁層180の上面、透明絶縁層180に設けられた貫通孔の内壁面および各貫通孔を介して露出するn型半導体層140の上面に沿って積層されている。そして、n密着層301の上には、n金属反射層302が積層されている。このn密着層301は、これらn型半導体層140、透明絶縁層180およびn金属反射層302との密着性が良い材料を用いることが好ましい。
n金属反射層302は、図4に示したように、n密着層301に沿って形成される。したがって、n金属反射層302は、透明絶縁層180に設けられた貫通孔の形状に沿って屈曲した形状を有している。また、n金属反射層302の上には、n拡散防止層303が積層されている。
n金属反射層302は、発光層150から出射され、内部反射等に伴ってn型半導体層140および透明絶縁層180を通過してきた光を、基板110側に向けて反射させるために設けられている。また、n金属反射層302は、n電極300の構成要素の1つとなっていることから、自身の抵抗が低く且つn密着層301との接触抵抗が低く抑えられるものを用いることが好ましい。
n拡散防止層303は、図4に示したように、n金属反射層302の上に積層され、且つ、その上にはnボンディング層304が積層される。なお、n拡散防止層303は、透明絶縁層180に形成された貫通孔の形状に倣って、凹凸を有している。
n拡散防止層303は、接触状態にあるn金属反射層302を構成する金属(この例ではアルミニウム合金)、および、接触状態にあるnボンディング層304を構成する金属(この例では金(詳細は後述))の拡散を、それぞれ抑制するために設けられている。ここで、本実施の形態では、n拡散防止層303を介してn金属反射層302とnボンディング層304とを配置することにより、これらn金属反射層302およびnボンディング層304が直接には接触しない構造となっている。また、n拡散防止層303は、n電極300の構成要素の1つとなっていることから、自身の抵抗が低く且つn金属反射層302およびnボンディング層304との接触抵抗がそれぞれ低く抑えられるものを用いることが好ましい。なお、n拡散防止層303は、発光層150からの光を透過させる機能を基本的に必要としないので、上述したn密着層301とは異なり、光透過性を有している必要はない。
nボンディング層304は、図4に示したように、n拡散防止層303の上に積層され、且つ、その上には最終的に外部に露出させる一部の領域を除いてn保護密着層305が積層される。なお、nボンディング層304は、透明絶縁層180に形成された貫通孔に倣って、凹凸を有している。
nボンディング層304は、外部と電気的に接続されることによりn電極300に給電を行うために設けられている。ここで、本実施の形態では、n拡散防止層303を介してn金属反射層302とnボンディング層304とを配置することにより、これらn金属反射層302とnボンディング層304が直接には接触しない構造となっている。また、nボンディング層304は、n電極300の構成要素の1つとなっていることから、自身の抵抗が低く且つn拡散防止層303との接触抵抗がそれぞれ低く抑えられるものを用いることが好ましい。なお、nボンディング層304は、n拡散防止層303と同様、発光層150からの光を透過させる機能を基本的に必要としないので、光透過性を有している必要はない。
n保護密着層305は、図4に示したように、nボンディング層304のうち最終的に外部に露出させる一部の領域を除く部位に積層され、且つ、その上には保護層400が積層される。このn保護密着層305は、これら2つの層を構成する材料の物理的な密着性を高めるために設けられている。
また、本実施の形態では、後述するようにp電極200の露出部は、はんだ35(図6参照)(Auメッキバンプとも言う。例えば、Auスズはんだが用いられる。)を介してpリード部32(図5参照)と接続される。また、n電極300の露出部は、はんだ35(Auメッキバンプ)を介してnリード部33(図5参照)と接続される。
これにより、半導体発光素子1は、pリード部32およびnリード部33と電気的に接続され、且つ、pリード部32およびnリード部33を介して筐体31(図5参照)に対し機械的に固定されている。このような半導体発光素子1の接続手法は、一般にフリップチップ接続と呼ばれる。フリップチップ接続においては、半導体発光素子1の基板110側が、発光層150よりもリードフレーム(pリード部32、nリード部33)から遠い側に配置されることになる。
続いて、上述した半導体発光素子1の製造方法の一例について説明する。
図1および図2等に示す半導体発光素子1の製造にあたっては、まず、基板110の一方の面に、中間層120、下地層130、n型半導体層140、発光層150、p型半導体層160および透明導電層170を、公知の成膜方法にて順次積層する。続いて、積層された透明導電層170、p型半導体層160、発光層150およびn型半導体層140に対し、一部領域(この例では上方からみたときの四隅のうちの1つの領域)を公知のリソグラフィー方法および公知のエッチング方法により除去することで、n型半導体層140の上面140cを露出させる。それから、透明導電層170の上やn型半導体層140の上面140cの上などを覆うように、公知の成膜方法により透明絶縁層180を積層した後、公知のリソグラフィー方法および公知のエッチング方法により、透明絶縁層180に複数の貫通孔を形成する。
以上により、半導体発光素子1が得られる。
発光装置30に設けられたpリード部32およびnリード部33を介して、半導体発光素子1にpリード部32からnリード部33に向かう電流を流すと、半導体発光素子1では、p電極200から透明導電層170、p型半導体層160、発光層150、n型半導体層140を介してn電極300に向かう電流が流れる。その結果、発光層150が例えば青色の光を出力する。このとき、発光層150から出力される光は、主として、基板110側と、p電極200側とに向かう。
発光層150から出射される光のうち基板110側に向かう光の大部分は、n型半導体層140、下地層130、中間層120および基板110を通過し、半導体発光素子1の外部(図6における上方)に出射される。しかしながら、基板110側に向かう光の一部は、例えば中間層120と基板110との境界部において中間層120および基板110の屈折率差によって反射し、発光層150側に戻ってくる。
なお、図7(a)は、半導体発光素子1に20mAの電流を供給した場合の光の出力Poを表し、図7(b)は、半導体発光素子1に80mAの電流を供給した場合の光の出力Poを表している。
また、半導体発光素子1の透明導電層170としては、IZOを用いている。波長450nmの光に対するIZOの屈折率は、第1屈折率n1=2.1である。したがって、Q1=53nmであり、本測定においては、透明導電層170の第1膜厚t1を、2Q1≒100nm、3Q1≒150nm、4Q1≒200nm、5Q1≒250nmとしている。
さらに、半導体発光素子1の透明絶縁層180としては、SiO2を用いている。波長450nmの光に対するSiO2の屈折率は、第2屈折率n2=1.45である。したがって、Q2=77nmであり、本測定においては、透明絶縁層180の第2膜厚t2を、2Q2≒152nm、3Q2≒228nm、4Q2≒304nm、5Q2≒380nm、6Q2≒456nm、7Q2≒532nmとしている。
まず、半導体発光素子1が透明絶縁層180を備えない場合(第2膜厚t2=0Q2)と、半導体発光素子1が透明絶縁層180を備える場合(第2膜厚t2=2Q2〜7Q2)とを比較する。
図7(a)および(b)に示されるように、半導体発光素子1が透明絶縁層180を備えない場合と比較して、半導体発光素子1が透明絶縁層180を備える場合の方が、半導体発光素子1の光の出力Poが増加している。
したがって、半導体発光素子1が、p型半導体層160上に透明導電層170、透明絶縁層180およびp金属反射層202が積層された積層構造を備えることで、この積層構造を有さない場合と比較して、半導体発光素子1の光の出力Poが増加することが分かった。
なお、以下では、第2膜厚t2がQ2の正の偶数倍であることを第2膜厚t2が偶数Q2であるといい、第2膜厚t2がQ2の正の奇数倍であることを第2膜厚t2が奇数Q2であるということがある。同様に、第1膜厚t1がQ1の正の偶数倍であることを第1膜厚t1が偶数Q1であるといい、第1膜厚t1がQ1の正の奇数倍であることを第1膜厚t1が奇数Q1であるということがある。
第2膜厚t2が奇数Q2である場合には、p型半導体層160側から入射し、透明導電層170および透明絶縁層180の界面において反射した反射光と、透明絶縁層180およびp金属反射層202の界面において反射した反射光とが、互いに強め合う。これにより、第2膜厚t2が奇数Q2である場合には、結果として半導体発光素子1の光の出力Poを増加させるものと考えられる。
一方、第2膜厚t2が偶数Q2である場合には、これらの光が互いに弱め合うことから、第2膜厚t2が奇数Q2である場合と比較して、半導体発光素子1の光の出力Poが低下するものと考えられる。
図7(a)および(b)に示されるように、第2膜厚t2が奇数Q2である場合において、透明導電層170の第1膜厚t1が偶数Q1である場合(t1=2Q1、4Q1…)に、第1膜厚t1が奇数Q1である場合(t1=3Q1、5Q1…)と比較して、半導体発光素子1の光の出力Poが上昇していることが分かる。
第2膜厚t2が奇数Q2であり、且つ、第1膜厚t1が偶数Q1である場合には、上述したように、透明導電層170および透明絶縁層180の界面において反射した反射光と、透明絶縁層180およびp金属反射層202の界面において反射した反射光とが強め合うのに加えて、これらの光とp型半導体層160および透明導電層170の界面において反射した反射光とが互いに強め合うことになる。したがって、第2膜厚t2が奇数Q2であり、且つ、第1膜厚t1が偶数Q1である場合には、結果として半導体発光素子1の光の出力Poが増加するものと考えられる。
したがって、第2膜厚t2が奇数Q2であり、且つ、第1膜厚t1が奇数Q1である場合には、第2膜厚t2が奇数Q2であり、且つ、第1膜厚t1が偶数Q1である場合と比較して、半導体発光素子1の光の出力Poが低下するものと考えられる。
さらに、図7(a)および(b)の結果から、半導体発光素子1の光の出力Poがより増加している点で、第2膜厚t2が(B−0.4)×Q2≦ t2 ≦(B+0.4)×Q2の関係を有していることが好ましく、また(B−0.3)×Q2≦ t2 ≦(B+0.3)×Q2の関係を有していることがより好ましい。
さらに、第1膜厚t1が(A−0.4)×Q1≦ t1 ≦(A+0.4)×Q1の関係を有していることが好ましく、また(A−0.3)×Q1≦ t1 ≦(A+0.3)×Q1の関係を有していることがより好ましい。
また、本実施の形態において、透明絶縁層180として、二酸化ケイ素の屈折率に近いMgF2、CaF2、Al2O3を同様に使用することができる。
換言すれば、本発明では、透明導電層170の膜厚を第1膜厚t1、透明絶縁層180の膜厚を第2膜厚t2、第1屈折率をn1、第2屈折率をn2、発光層150から出射される光の波長をλとし、Aを正の偶数、Bを正の奇数とした場合に、第1膜厚t1が、(λ/4n1)×(A−0.5)≦ t1 ≦(λ/4n1)×(A+0.5)の関係を有し、第2膜厚t2が、(λ/4n2)×(B−0.5)≦ t2 ≦(λ/4n2)×(B+0.5)の関係を有することで、半導体発光素子1の光取り出し効率を向上させる方法を提供することができる。
さらに、本実施の形態では、透明絶縁層180に設けられる複数の貫通孔は、透明導電層170に近づくにつれてその直径が減少する所謂テーパ状の断面を有するように形成したが、これに限られるものではない。例えば、貫通孔の形状は、透明絶縁層180の厚さ方向によってその直径が変化しない、円柱形状や多角柱形状等であってもよい。
Claims (10)
- 第1導電型を有する化合物半導体で構成される第1半導体層と、
前記第1半導体層に積層され、通電により発光する発光層と、
前記第1導電型とは異なる第2導電型を有する化合物半導体で構成され、前記発光層に積層される第2半導体層と、
前記発光層から出射される光に対する透過性および導電性を備えるとともに第1屈折率を有する材料で構成され、前記第2半導体層に積層される透明導電層と、
前記発光層から出射される光に対する透過性および絶縁性を備えるとともに前記第1屈折率よりも低い第2屈折率を有する材料で構成され、厚さ方向に貫通する貫通孔を有するとともに前記透明導電層に積層される透明絶縁層と、
前記第1半導体層と電気的に接続される第1電極と、
前記発光層から出射される光に対する反射性および導電性を有する金属材料で構成され、前記貫通孔を介して露出する前記透明導電層および前記透明絶縁層を覆うように積層される金属反射層を有する第2電極と
を備え、
前記透明導電層の膜厚を第1膜厚t1、前記透明絶縁層の膜厚を第2膜厚t2、前記第1屈折率をn1、前記第2屈折率をn2、前記発光層から出射される光の波長をλとし、Aを正の偶数、Bを正の奇数とした場合に、
前記第1膜厚t1は、
(λ/4n1)×(A−0.5)≦ t1 ≦(λ/4n1)×(A+0.5)
の関係を有し、
前記第2膜厚t2は、
(λ/4n2)×(B−0.5)≦ t2 ≦(λ/4n2)×(B+0.5)
の関係を有していることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記透明導電層と同一の材料から構成され、前記透明絶縁層および当該透明絶縁層に形成された前記貫通孔を介して露出する当該透明導電層の上に積層される密着層をさらに備え、
前記密着層の膜厚を第3膜厚t3としたとき、前記第1膜厚t1および当該第3膜厚t3の総和は、
(λ/4n1)×(A−0.5)≦(t1+t3)≦(λ/4n1)×(A+0.5)
の関係を有していることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。 - 前記第1半導体層は、電子をキャリアとするIII−V族化合物半導体で構成され、
前記第2半導体層は、正孔をキャリアとするIII−V族化合物半導体で構成されることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。 - 前記第1半導体層および前記第2半導体層は、III族窒化物半導体で構成されることを特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。
- 前記透明導電層は、IZO(Indium Zinc Oxide) またはITO(Indium tin Oxide)から構成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記透明絶縁層は、二酸化ケイ素、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム及び酸化アルミニウムからなる群から選ばれた一種の材料から構成されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の半導体発光素子。
- 前記金属反射層は、銀または銀を含む合金から構成されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の半導体発光素子。
- 第1導電型を有する化合物半導体で構成され、外部からの給電に用いられる第1半導体層と、
前記第1半導体層に積層され、通電により発光する発光層と、
前記第1導電型とは異なる第2導電型を有する化合物半導体で構成され、前記発光層に積層される第2半導体層と、
前記第2半導体層に積層され、前記発光層から出射される光に対する透過性および導電性を備えるとともに第1屈折率を有する材料で構成され、前記第1半導体層とともに外部からの給電に用いられる透明導電層と、
前記発光層から出射される光に対する透過性および絶縁性を備えるとともに前記第1屈折率よりも低い第2屈折率を有する材料で構成され、前記透明導電層に積層される透明絶縁層と、
前記発光層から出射される光に対する反射性を有する材料で構成され、前記透明絶縁層に積層される反射層とを備え、
前記透明導電層の膜厚を第1膜厚t1、前記透明絶縁層の膜厚を第2膜厚t2、前記第1屈折率をn1、前記第2屈折率をn2、前記発光層から出射される光の波長をλとし、Aを正の偶数、Bを正の奇数とした場合に、
前記第1膜厚t1は、
(λ/4n1)×(A−0.5)≦ t1 ≦(λ/4n1)×(A+0.5)
の関係を有し、
前記第2膜厚t2は、
(λ/4n2)×(B−0.5)≦ t2 ≦(λ/4n2)×(B+0.5)
の関係を有していることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記反射層は、導電性を備える材料で構成され、前記透明導電層と電気的に接続されることを特徴とする請求項8記載の半導体発光素子。
- 前記透明絶縁層は、厚さ方向に貫通する貫通孔を複数有し、
前記反射層は、複数の前記貫通孔を介して前記透明導電層と電気的に接続されることを特徴とする請求項9記載の半導体発光素子。
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