JP2013115435A - 紫外線半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】量子効率を向上することができる紫外線半導体発光素子を提供する。
【解決手段】紫外線発光素子は、第１の導電型半導体層１５の下に配置された活性層１９と、活性層１９の下に配置される反射層２１と、反射層２１の下に配置された第２の導電型半導体層２３とを含む。反射層２１は、多数の化合物半導体層を含み、化合物半導体層のそれぞれは、少なくとも２以上の半導体材料を含む。少なくとも２以上の半導体材料の各含量が、化合物半導体層のそれぞれで異なる。
【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、紫外線半導体発光素子に関する。発光ダイオード(Light-Emitting Diode: LED)は、電流を光に変換する半導体発光素子である。
半導体発光素子は、高輝度を有する光を得ることができるため、ディスプレイ用光源、自動車用光源、及び照明用光源に幅広く使用されている。
近来、紫外線を出力することができる紫外線半導体発光素子が提案されている。
しかしながら、紫外線半導体発光素子では、紫外線光が内部で吸収されるので、量子効率を低下させるという不都合がある。
本発明の実施形態は、紫外線光の吸収を防止して、量子効率を向上することができる紫外線半導体発光素子を提供する。
また、本発明の実施形態は、紫外線光を前方に反射して、量子効率を向上することができる紫外線半導体発光素子を提供する。
本発明の実施形態に係る発光素子は、第１の導電型半導体層と、前記第１の導電型半導体層の下に配置される活性層と、前記活性層の下に配置される第１の反射層と、前記第１の反射層の下に配置される第２の導電型半導体層とを含み、前記第１の反射層は、 多数の化合物半導体層を含み、 前記化合物半導体層のそれぞれは、少なくとも２以上の半導体材料を含み、 前記少なくとも２以上の化合物半導体材料の各含量が、前記化合物半導体層のそれぞれで異なる 。
本発明の第１の実施形態による紫外線半導体発光素子を示す断面図である。 図１の紫外線半導体発光素子で紫外線光を反射させるメカニズムを示す図である。 図１の第２の導電型半導体層の詳細構成を示す断面図である。 図１の紫外線半導体発光素子の一応用例としてのフリップチップ型紫外線半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による紫外線半導体発光素子を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態による紫外線半導体発光素子を示す断面図である。 図６の第２の導電型半導体層の詳細構成を示す断面図である。 図６の第２の導電型半導体層の形状を示す平面図である。 図６の第２の導電型半導体層の形状を示す平面図である。 本発明の実施形態による紫外線半導体発光素子の第２の導電型半導体層の波長による反射率を示すグラフである。
本発明の実施形態の説明に当り、各層(膜)、領域、パターン、または構造物などが、基板、各層(膜)、領域、パッド、またはパターンなどの“上(on)”に、または “下(under)”に形成されることと記載される場合において、“上(on)”と“下の(under)”は、“directly”と“indirectly”の意味を含む。また、各層の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。
以下、 添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明すると、以下の通りである。図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のため、誇張、省略、又は概略的に示されている。 また、各構成要素の大きさは、実際の大きさを必ずしも完全にに反映しているとは限らない。
図１は、第１の実施形態による紫外線半導体発光素子を示す断面図である。
図１を参照すると、第１の実施形態による紫外線半導体発光素子１０は、基板１１、バッファ層１３、第１の導電型半導体層１５、活性層１９、第２の導電型半導体層２１、第３の導電型半導体層２３、及び第４の導電型半導体層２５を含む。
前記第１の導電型半導体層１５は、電極層とバリア層としての機能を有し、前記第２の導電型半導体層２１は、反射層としての機能を有し、前記第３の導電型半導体層２３は、バリア層としての機能を有し、前記第４の導電型半導体層２５は、電極層としての機能を有するが、これに限ることではない。
前記バッファ層１３と、前記第１〜第４の導電型半導体層は、III-V族又はII-VI族化合物半導体材料から形成される。前記化合物半導体材料は、例えば、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎを含む。
前記基板１１は、熱伝導性及び/又は透過度に優れた材質から形成されるが、これに限ることではない。例えば、前記基板１１は、サファイア(Ａｌ２Ｏ３)、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＩｎＰ、及びＧｅからなる群より選ばれた少なくとも一つを含むことができるが、これに限ることではない。
前記バッファ層１３は、前記基板１１と前記第１の導電型半導体層１５との間の格子定数差を緩和する役目を果たす。
前記バッファ層１３は、例えば、ＡｌＮ又はＧａＮを含むが、これに限ることではない。例えば、 前記バッファ層１３が、ＡｌＮとＧａＮが交互に積層された多層構造を有することができる。 例えば、前記バッファ層１３は、Ａｌの含量が互いに異なるように、ＡｌｘＧаＮ(０≦ｘ≦１)が交互に積層された多層構造を有することができる。
前記バッファ層１３により、前記基板１１の上に形成される前記第１の導電型半導体層１５が、安定して成長することができる。
図示してはいないが、前記バッファ層１３と前記第１の導電型半導体層１５との間に、アンドープ(undoped)半導体層が形成されることができる。前記アンドープ半導体層は、何らのドーパントも含まない層であって、ドーパントがないため、前記第１の導電型半導体層１５に比べて低い電気伝導性を有することができる。例えば、前記アンドープ半導体層は、ＧａＮ又はＡｌＮを含むが、これに限ることではない。
前記バッファ層１３の上に、前記第１の導電型半導体層１５が形成される。前記第１の導電型半導体層１５は、例えば、ｎ型ドーパントを含むｎ型半導体層である。前記第１の導電型半導体層１５は、InxAlyGa1-x-ｙN(0≦x≦１、0≦y≦１、0≦x+y≦１)の組成式を有する半導体材質、例えば、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、及びＡｌＩｎＮからなる群より選ばれた少なくとも１つを含むことができるが、これに限ることではない。 前記ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、または、Ｓｎを含むことができる。
前記第１の導電型半導体層１５は、第１のキャリア、すなわち、電子を前記活性層１９に供給するための電極層としての役目を果たし、前記第４の導電型半導体層２５から前記活性層１９に供給された第２のキャリア、すなわち、正孔が、前記バッファ層１３に超えないようにするバリア層としての役目を果たすことができる。
前記第１の導電型半導体層１５は、バリア層としてのみ働き、電極層として働く更に他の導電型半導体層が、前記バッファ層１３と前記第１の導電型半導体層１５との間に形成されることもできる。
前記第１の導電型半導体層１５の上には、前記活性層１９が形成される。
前記活性層１９は、例えば、前記第１の導電型半導体層１５から供給された電子と、前記第４の導電型半導体層２５から供給された正孔とを再結合して、紫外線光を発光させる。
前記活性層１９は、紫外線光を生成するためのエネルギーバンドのバンドギャップを有するIII-V族またはII-VI族化合物半導体を、ウェル層とバリア層の周期で繰り返し形成することができるが、これに限ることではない。
例えば、ＩｎＧａＮ/ＧａＮの周期、ＩｎＧａＮ/ＡｌＧａＮの周期、ＩｎＧａＮ/ＩｎＧａＮの周期のように形成することができる。前記バリア層のバンドギャップは、前記ウェル層のバンドギャップよりも大きく形成されることができる。すなわち、前記活性層１９は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、量子点構造、及び量子線構造のいずれか１つを含むことができる。
前記活性層１９は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮから選ばれた一つ、又は、これらの周期的な繰り返しで形成されることができる。
前記活性層１９の上に、前記第２の導電型半導体層２１が形成される。
前記第２の導電型半導体層２１は、前記活性層１９からの紫外線光を、前記第４の導電型半導体層２５に供給しないように遮断し、かつ、前記紫外線光を反射させることができる。前記第４の導電型半導体層２５は、電極層として働くため、例えば、ＧａＮを含むことができる。
ＧａＮは、紫外線光を吸収する特性を有する。従って、前記活性層１９の紫外線光が、前記第４の導電型半導体層２５に供給される場合、前記紫外線光が、前記第４の導電型半導体層２５により吸収されて、外部に出力しなくなるため、外部量子効率(external quantum efficiency)が格段に低下する。
本発明の第１の実施形態は、前記活性層１９と前記第４の導電型半導体層２５との間に、反射層として働く前記第２の導電型半導体層２１を形成することにより、前記活性層１９の紫外線光が前記第２の導電型半導体層２１により反射して、外部量子効率を極大化することができる。
図２に示しているように、前記活性層１９で紫外線光が発生される。
前記紫外線光は、全ての方向に進行する。従って、前記紫外線光の一部は、前記第４の導電型半導体層２５に進行することができる。
しかし、前記活性層１９と前記第４の導電型半導体層２５との間に形成された前記第２の導電型半導体層２１により、前記紫外線光が反射して、前記第１の導電型半導体層１５に進行するか、側方向に進行することができる。
これにより、活性層１９の紫外線光が、前記第４の導電型半導体層２５に進行しなくなるようになり、前記第１の導電型半導体層１５の方向や側方向に反射するようになることで、外部量子効率を向上することができる。
前記第２の導電型半導体層２１は、図３に示しているように、多数の化合物半導体層を含む。すなわち、前記第２の導電型半導体層２１は、第１及び第２の層３１ａ及び３１ｂ、３３ａ及び３３ｂ、３５ａが繰り返し形成された構造を有することができる。
前記第１及び第２の層３１ａ及び３１ｂ、３３ａ及び３３ｂ、３５ａは、奇数個であるが、これに限ることではない。
前記第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａは、奇数番目の層であり、前記第２の層３１ｂ、３３ｂは、偶数番目の層と称する。
例えば、前記活性層１９に接する最下層として、第１の層３１ａが形成され、前記第１の層３１ａの上に第２の層３１ｂが形成され、前記第２の層３１ｂの上に、更に第１の層３３ａが形成され、前記第１の層３３ａの上に、更に第２の層３３ｂが形成され、前記第２の層３３ｂの上に、更に第１の層３５ａが形成される。
例えば、前記活性層１９に接する前記第１の層３１ａと、その上の第２の層３１ｂとを、第１のペア層(pair layer)３１と称し、前記第１のペア層３１の上に形成された第１及び第２の層３３ａ、３３ｂを、第２のペア層３３と称する。
本願発明の第１の実施形態の前記第２の導電型半導体層２１は、３個のペア層乃至５個のペア層を含むことができるが、これに限ることではない。
前記第２の導電型半導体層２１の最下層と最上層は、第１の層３１ａ、３５ａを共通して有することができる。即ち、前記活性層１９に接する最下層も、第１の層３１ａからなり、前記第３の導電型半導体層２３に接する最上層も、第１の層３５ａからなる。
前記第１及び第２の層３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ、３５ａは、同一のIII-V族又はII-VI族化合物半導体材料を含むことができる。例えば、前記第１及び第２の層３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ、３５ａは、ＡｌＧａＮを含むが、これに限ることではない。
しかし、前記第１及び第２の層３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ、３５ａは、互いに異なるＡｌ含量と、互いに異なるＧａ含量とを含むことができる。
例えば、第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａのそれぞれにおけるＡｌ含量は、Ｇａ含量より大きく、 第２の層３１ｂ、３３ｂのそれぞれにおけるＡｌ含量は、Ｇａ含量より大きいが、これに限ることではない。
例えば、第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａのＡｌ含量は、第２の層３１ｂ、３３ｂのＡｌ含量よりも大きく、第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａのＧａ含量は、第２の層３１ｂ、３３ｂのＧａ含量よりも小さい。このような含量可変により、前記第２の層３１ｂ、３３ｂの屈折率は、前記第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａの屈折率よりも大きいように調節される。
例えば、前記第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａは、９５％のＡｌ含量と、５％のＧａ含量とを含むことに対して、前記第２の層３１ｂ、３３ｂは、６０％のＡｌ含量と４０％のＧａ含量とを含むが、これに限ることではない。このような場合、第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａの屈折率は、２．１であり、第２の層３１ｂ、３３ｂの屈折率は、２．４５となる。
前記第２の導電型半導体層２１の最下層と前記活性層１９の最上層とは、バリア層として、例えば、前記第１の層３１ａが相互共通して形成されることができる。このような場合、前記活性層１９の最上層でありながら、前記第２の導電型半導体層２１の最下層として、第１の層３１ａが形成され、前記第１の層３１ａの上に、前記第２の導電型半導体層２１の第２の層３１ｂが形成される。
一方、前記第２の導電型半導体層２１の最下層である第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａに接する活性層１９は、前記最下層である第１の層３１ａよりも大きい屈折率を有し、前記第２の導電型半導体層２１の最上層である第１の層３５ａに接する第３の導電型半導体層２３は、前記最上層である第１の層３５ａよりも大きい屈折率を有する。
このように、屈折率の大きい第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａと、屈折率の小さい第２の層３１ｂ、３３ｂとが積層されることで、前記第２の導電型半導体層２１は、反射層としての役割を果たすことができる。
第１の実施形態の第２の導電型半導体層２１において、第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａは、第２の層３１ｂ、３３ｂよりも大きい厚さを有するが、これに限ることではない。例えば、 前記第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａは、３０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲を有し、前記第２の層３１ｂ、３３ｂは、２０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲を有するが、これに限ることではない。
図９に示すように、前記第２の導電型半導体層２１は、波長により、反射率が変化する。
第１の実施形態の第２の導電型半導体層２１は、２７０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長に対して、最大反射率を有することができる。従って、第１の実施形態の活性層１９は、２７０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長の紫外線光を生成することができる。
第１の実施形態の第２の導電型半導体層２１は、２７０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長の紫外線光を主として反射させることができるが、これに限ることではない。
即ち、前記第１及び第２の層３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ、３５ａの含量、及び厚さを変わることで、前記第２の導電型半導体層２１は、２７０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長の紫外線光に対しては、最大の反射率を有するように設計される。
一方、前記第２の導電型半導体層２１の第１及び第２の層３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ、３５ａは、ｎ型ドーパント、又は、ｐ型ドーパントを含む。
または、前記第２の導電型半導体層２１の第１及び第２の層は、何らのドーパントも含まない。
または、前記第２の導電型半導体層２１の第１及び第２の層３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂ、３５ａのいずれかの１層は、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントを含み、他の１層は、これとは異なり、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントを含まない。例えば、前記第１の層３１ａ、３３ａ、３５ａは、ｎ型ドーパントを含み、前記第２の層３１ｂ、３３ｂは、ｐ型ドーパントを含むが、これに限ることではない。
前記第２の導電型半導体層２１の上に、バリア層として働く第３の導電型半導体層２３が形成される。
前記第３の導電型半導体層２３は、InxAlyGa1-x-ｙN(0≦x≦１、0≦y≦１、0≦x+y≦１)の組成式を有する半導体材質、例えば、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、及びＡｌＩｎＮからなる群より選ばれた少なくとも１つを含むことができるが、これに限ることではない。
前記第３の導電型半導体層２３は、例えば、ＡｌＧａＮを含むが、これに限ることではない。前記第３の導電型半導体層２３は、例えば、ｐ型ドーパントを含むｐ型半導体層である。前記ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃа、Ｓｒ、又は、Ｂаを含む。
前記第３の導電型半導体層２３の上に、電極層として働く第４の導電型半導体層２５が形成される。
前記第４の導電型半導体層２５は、InxAlyGa1-x-ｙN(0≦x≦１、0≦y≦１、0≦x+y≦１)の組成式を有する半導体材質、例えば、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、及びＡｌＩｎＮからなる群より選ばれた少なくとも１つを含むことができるが、これに限ることではない。
前記第４の導電型半導体層２５は、例えば、ｐ型ドーパントを含むｐ型半導体層である。前記第４の導電型半導体層２５は、例えば、ＧａＮであるが、これに限ることではない。前記ｐ型ドーパントは、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、又は、Ｂａを含む。
従って、前記第１の導電型半導体層１５と、前記第４の導電型半導体層２５とは、電極層として働くことができる。
例えば、前記第１の導電型半導体層１５は、ｎ型電極層として働き、前記第４の導電型半導体層２５は、ｐ型電極層として働くことができる。これにより、第１の導電型半導体層１５からの電子が、前記活性層１９に提供され、第４の導電型半導体層２５からの正孔が、前記活性層１９に提供される。前記活性層１９は、電子と正孔とが再結合して、前記活性層１９の形成物質により決定されたバンドギャップ(band gap)に相応する波長、例えば、２７０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長を有する紫外線波長を生成することができる。
一方、前記第４の導電型半導体層２５が、電極層とバリア層の機能を全て行う場合、前記第３の導電型半導体層２３は、形成されないこともある。
前記第３の導電型半導体層２３が形成されない場合、前記第４の導電型半導体層２５は、前記第２の導電型半導体層２１の上面に接して形成される。
本願発明の第１の実施形態は、活性層１９からの紫外線光が、第４の導電型半導体層２５により吸収されることを防止するため、活性層１９と第４の導電型半導体層２５との間に、紫外線光を反射させる第２の導電型半導体層２１を形成する。
図４は、図１の紫外線半導体発光素子の一応用例としてのフリップチップ型紫外線半導体発光素子を示す断面図である。
図４に示すように、第１の実施形態の紫外線半導体発光素子１０は、例えば、フリップ型紫外線半導体発光素子として応用されることができるが、これに限定することではない。
前記フリップ型紫外線半導体発光素子は、第１の実施形態の紫外線半導体発光素子１０が、上下が反対になる構造を有することができる。
すなわち、基板１１の下に、バッファ層１３が形成され、前記バッファ層１３の下に、第１の導電型半導体層１５が形成され、 前記第１の導電型半導体層１５の下に、活性層１９が形成される。前記活性層１９の下に、第２の導電型半導体層２１が形成され、前記第２の導電型半導体層２１の下に、第３の半導体層２３が形成され、前記第３の導電型半導体層２３の下に、第４の導電型半導体層２５が形成されることができる。
前記フリップ型紫外線半導体発光素子は、紫外線光を側方向や上部方向に進行する構造であるので、前記活性層１９で生成された紫外線光が、下部方向に進行しないようにするため、前記第４の導電型半導体層２５の下に、反射層４３が形成される。
前記反射層４３は、金属物質から形成される。例えば、金属物質としては、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｆからなる群より選ばれた１つ、又は、これらの合金が使用されることができる。
前記反射層４３が形成される前又は後に、第１の導電型半導体層１５が部分的に露出するように、第４の導電型半導体層２５、第３の導電型半導体層２３、第２の導電型半導体層２１、及び活性層１９が、メサエッチングされる。このようなメサエッチング工程により、前記第１の導電型半導体層１５の表面も、部分的にエッチングされる。
前記メサエッチングにより露出した第１の導電型半導体層１５の下に、第１の電極４１が形成され、前記反射層４３又は第４の導電型半導体層２５の下に、第２の電極４５が形成される。
前記第２の導電型半導体層１９の上面は、前記第１の電極４１の上面よりも低い位置に配置されるが、これに限ることではない。
前記第２の導電型半導体層１９は、少なくとも前記第１の電極４１の一部と水平に重なり合うが、これに限ることではない。
一方、前述したように、第２の導電型半導体層２１が、紫外線光を反射させる反射層として働くことができる。仮に、前記第２の導電型半導体層２１が、活性層１９の紫外線光を全て、上部方向に反射させることができる場合、前記第４の導電型半導体層２５の下に、反射層４３が形成されないこともある。このような場合、前記反射層４３の代わりに、透明導電層が、前記第４の導電型半導体層２５の下に形成され、前記透明導電層の下に、第２の電極４５が形成されるが、これに限ることではない。 前記透明導電層は、電流拡散の役目を果たさなければないので、前記反射層４３と同様に、少なくとも前記活性層のサイズ分のサイズを有することができるが、これに限ることではない。前記透明導電層としては、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ(Ｉｎ-ＺＮＯ)、ＧＺＯ(Ｇａ-ＺｎＯ)、ＡＺＯ(Ａｌ-ＺｎＯ)、ＡＧＺＯ(Ａｌ-Ｇａ ＺｎＯ)、ＩＧＺＯ(Ｉｎ-Ｇａ ＺｎＯ)、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ/ＩＴＯ、Ｎｉ/ＩｒＯｘ/Ａｕ、及びＮｉ/ＩｒＯｘ/Ａｕ/ＩＴＯからなる群より選ばれた少なくとも１つが使用され得るが、これに限ることではない。
前記活性層１９で生成され、下部方向に進行した光は、前記第２の導電型半導体層２１により反射して、上部方向や側方向に進行するので、外部量子効率が向上される。
図５は、第２の実施形態による紫外線半導体発光素子を示す断面図である。
第２の実施形態は、第２の導電型半導体層４７が、第３の導電型半導体層２３と、第４の導電型半導体層２５との間に形成されることを除き、第１の実施形態とほぼ同一である。
第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成要素に対しては、同一の図面符号を付し、詳しい説明を省略する。
図５を参照すると、第２の実施形態による紫外線半導体発光素子１０Ａは、基板１１、バッファ層１３、第１の導電型半導体層１５、活性層１９、第３の導電型半導体層２３、第２の導電型半導体層４７、及び第４の導電型半導体層２５を含む。
前記第２の導電型半導体層４７は、前記活性層１９の上に形成されるか、形成されないこともあるが、これに限ることではない。
前記第２の導電型半導体層４７は、前記第３の導電型半導体層２３の上に形成され、前記第４の導電型半導体層２５は、第２の導電型半導体層４７の上に形成される。
言い換えれば、前記第２の導電型半導体層４７は、前記第３の導電型半導体層２３と前記第４の導電型半導体層２５との間に形成される。
前記活性層１９で生成された紫外線光は、全ての方向に進行することができる。前記紫外線光の一部は、前記第３の導電型半導体層２３を経て、前記第２の導電型半導体層４７に進行する。
前記第２の導電型半導体層４７に進行した紫外線光は、前記第２の導電型半導体層４７により遮断されて、紫外線光を吸収可能なＧａＮを含む前記第４の導電型半導体層２５に進行しないため、前記第４の導電型半導体層２５による紫外線吸収により、外部量子効率の低下を防止することができる。
前記第２の導電型半導体層４７は、前記第３の導電型半導体層２３を経た紫外線光を、更に、活性層１９、又は前記第１の導電型半導体層１５に進行するように、反射することができる。
従って、前記第３の導電型半導体層２３を経た紫外線光は、前記第２の導電型半導体層４７により遮断されるだけでなく、前記第２の導電型半導体層４７により反射されることで、外部量子効率が向上する。
一方、第１及び第２の実施形態の組み合わせにより、第２の導電型半導体層が活性層１９と第３の導電型半導体層２３との間だけではなく、第３の導電型半導体層２３と第４の導電型半導体層２５との間にも形成することができる。このように、反射機能を有する第２の導電型半導体層が少なくとも２箇所以上形成されることにより、活性層１９で生成された光が、第４の導電型半導体層２５に進行しないようにして、光損失を最小化して、外部量子効率を極大化することができる。
図６は、第３の実施形態による紫外線半導体発光素子を示す断面図である。
図６を参照すると、第３の実施形態による紫外線半導体発光素子１０Ｂにおいて、活性層１９上の第２の導電型半導体層２１は、多数のパターン５１を含むことができる。前記各パターン５１は、第１の層５３ａ、５５ａ、５７ａと、第２の層５３ｂ、５５ｂとを一対とする多数のペア層５３、５５を含むことができる。
前記第１の層５３ａ、５５ａ、５７ａと前記第２の層５３ｂ、５５ｂとは、第１の実施形態から容易に理解されるので、詳しい説明は、省略する。
前記パターン５１は、三角状、四角状、五角状、六角状(図８А)を含む多角状を有することができるが、これに限ることではない。
前記パターン５１は、円状(図８Ｂ)又は楕円状を有することができるが、これに限ることではない。
前記パターン５１は、一定に配列されるか、又は、ランダムに配列される。
前記パターン５１の側面は、水平ライン、例えば、前記活性層１９の上面に対して、傾斜した形状を有することができるが、これに限ることではない。
このような場合、前記パターン５１の幅は、上部方向に沿って小くなる。即ち、前記層５３а、５３ｂ、５５а、５５ｂ、５７аにおいて、下位層の幅よりも上位層の幅が更に小くなるように形成される。
これとは逆に、前記パターン５１の幅は、上部方向に沿って大きくなる。即ち、前記層５３а、５３ｂ、５５а、５５ｂ、５７аにおいて、下位層の幅よりも上位層の幅が更に大きくなるように形成される。
または、前記パターン５１の側面は、前記活性層１９の上面に対して垂直な形状を有するが、これに限ることではない。このような場合、前記層５３а、５３ｂ、５５а、５５ｂ、５７аの幅はいずれも、同一である。
図７は、図６の第２の導電型半導体層の詳細構成を示す断面図である。
図７に示しているように、パターン５１間の間隔(Ｂ)は、パターン５１の幅(А)より大きくなるように形成されるが、これに限ることではない。
前記パターン５１の幅(А)は、０．５um〜１umの範囲を有し、前記パターン５１間の間隔(Ｂ)は、１um〜２umの範囲を有する。
前記第２の導電型半導体層２１のパターン５１間の活性層１９の上面と、前記第２の導電型半導体層２１のパターン５１の上面に、第３の導電型半導体層５９が形成される。
前記第３の導電型半導体層５９は、前記パターン５１間の前記活性層１９の上面に接し、かつ、各パターン５１の側面と上面の上に形成される。
成長工程の時、前記第３の導電型半導体層５９は、前記パターン５１間の前記活性層１９の上面から成長する。 前記第３の導電型半導体層５９が、前記パターン５１間の空間だけではなく、前記パターン５１の上面から成長することができる。
前記第３の導電型半導体層５９と前記活性層１９、例えば、多重量子井戸構造におけるバリア層は、同一のIII-V族又はII-VI族化合物半導体材料を含む。例えば、前記活性層１９のバリア層と前記第３の導電型半導体層５９とは、共通してＡｌＧａＮを含むが、これに限ることではない。
前記第３の導電型半導体層５９と前記活性層１９のバリア層とが、同一のIII-V族又はII-VI族化合物半導体材料を含むので、前記第３の導電型半導体層５９は、前記第２の導電型半導体層２１のパターン５１間の前記活性層１９から亀裂なく、安定して成長されることができる。
本願発明の第３の実施形態は、多数のパターン５１を含む第２の導電型半導体層２１により、第４の導電型半導体層２５の正孔が、第２の導電型半導体層２１のパターン５１を通過しなく、第２の導電型半導体層２１のパターン５１間の第３の導電型半導体層５９を経て、活性層１９に提供されるので、電流注入効率の向上により、光効率が向上される。
合わせて、第３の実施形態は、第２の導電型半導体層２１が、多数のパターン５１に形成され、このようなパターン５１により、紫外線光の反射効率をより一層向上することができる。
一方、第４の導電型半導体層２５が、電極層とバリア層としての機能を有する場合、第３の導電型半導体層５９は、形成されないこともある。
前記第３の導電型半導体層５９が形成されない場合、前記第４の導電型半導体層２５は、前記第２の導電型半導体層２１のパターン５１の上面、そして、前記第２の導電型半導体層２１のパターン５１間の活性層１９の上面に接して、形成される。
本発明の第３の実施形態は、第１の実施形態に関連する。すなわち、第１の実施形態の第２の導電型半導体２１を、多数のパターン５１として形成することにより、第３の実施形態となり得る。
図示してはいないが、多数のパターンを有する第２の導電型半導体層は、第２の実施形態にも適用される。すなわち、第２の実施形態の第２の導電型半導体層４７を、多数のパターンとして形成し、前記第４の導電型半導体層２５が、パターン間の第３の導電型半導体層２３の上面に接し、かつ、前記パターンの上面に接するように形成することができるが、これに限ることではない。
本発明の実施形態は、活性層と第４の導電型半導体層との間に、反射層として働く第２の導電型半導体層を形成することにより、活性層の紫外線光が、第２の導電型半導体層により反射して、外部量子効率を極大化することができる。
本発明の実施形態は、多数のパターンを含む第２の導電型半導体層により、第４の導電型半導体層の正孔が、第２の導電型半導体層のパターンを経ることなく、第２の導電型半導体層のパターン間の第３の導電型半導体層を経て、活性層に提供されるので、電流拡散の効果を向上することができる。
本発明の実施形態は、第２の導電型半導体層が多数のパターンに形成され、このようなパターンにより、紫外線光の反射効率をより一層向上することができる。
一方、本発明の実施形態による紫外線半導体発光素子１０、１０А、１０Ｂは、蛍光体を含むモールド部材を用いたパッケージとして製造されるか、このようなパッケージを備えた照明システムとして製造されることができる。
照明システムとして活用されるためには、発光素子１0、１0А、１0Ｂの紫外線を、蛍光体により、可視光線に変換しなければならない。

Claims (23)

  1. 第１の導電型半導体層と、
    前記第１の導電型半導体層の下に配置される活性層と、
    前記活性層の下に配置される第１の反射層と、
    前記第１の反射層の下に配置される第２の導電型半導体層とを含み、
    前記第１の反射層は、
    多数の化合物半導体層を含み、
    前記化合物半導体層のそれぞれは、少なくとも２以上の半導体材料を含み、
    前記少なくとも２以上の化合物半導体材料の各含量が、前記化合物半導体層のそれぞれで異なることを特徴とする紫外線発光素子。
  2. 更に、前記第２の導電型半導体層の下に配置される第３の導電型半導体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の紫外線発光素子。
  3. 更に、前記第２の導電型半導体層と第３の導電型半導体層との間に配置される第２の反射層を含むことを特徴とする請求項２に記載の紫外線発光素子。
  4. 前記第２の反射層は、多数の化合物半導体層を含み、
    前記化合物半導体層のそれぞれは、少なくとも２以上の半導体材料を含み、
    前記少なくとも２以上の化合物半導体材料の各含量が、前記化合物半導体層のそれぞれで異なることを特徴とする請求項１乃至３のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  5. 前記多数の化合物半導体層は、互いに交互に配置された多数の奇数番目化合物半導体層と、偶数番目化合物半導体層とを含むことを特徴とする請求項１乃至４のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  6. 前記化合物半導体層のそれぞれは、少なくともＧａを含み、
    前記多数の化合物半導体層のうち、隣接する化合物半導体層のＧａの含量は、互いに異なることを特徴とする請求項１乃至５のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  7. 前記化合物半導体層のそれぞれは、少なくともＡｌを含み、
    前記多数の化合物半導体層のうち、隣接する化合物半導体層のＡｌの含量は、互いに異なることを特徴とする請求項１乃至6のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  8. 前記多数の化合物半導体層は、互いに異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１乃至７のうち、いずれか1項に記載の紫外線発光素子。
  9. 前記多数の化合物半導体層は、奇数個であることを特徴とする請求項１乃至8のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  10. 前記第１の反射層の最下層と最上層とは、互いに同じ含量の少なくとも２以上の半導体材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の紫外線発光素子。
  11. 前記第１の反射層の最下層は、前記活性層の最上層であることを特徴とする請求項１又は１０に記載の紫外線発光素子。
  12. 前記第１の反射層の最下層は、前記活性層のバリア層であることを特徴とする請求項１又は１０乃至１１のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  13. 前記活性層の屈折率は、前記第１の反射層の最下層の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１ 又は10 乃至12のうち、いずれか１項 に記載の紫外線発光素子。
  14. 前記第２の導電型半導体層の屈折率は、前記第１の反射層の最上層の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１又は１０乃至１２のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  15. 前記第１の反射層は、２７０ｎｍ〜２９０ｎｍの波長の紫外線光を反射させることを特徴とする請求項１に記載の紫外線発光素子。
  16. 前記第１の反射層は、前記第１の導電型半導体層と同一タイプのドーパントを含むことを特徴とする請求項１又は１５に記載の紫外線発光素子。
  17. 前記第１の反射層は、前記第２の導電型半導体層と同一タイプのドーパントを含むことを特徴とする請求項１又は１５乃至１６のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  18. 前記第１の反射層は、前記第２の導電型半導体層と同一の半導体材料を含むことを特徴とする請求項１又は１５乃至１７のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  19. 前記第１の反射層は、前記第３の導電型半導体層と異なる半導体材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の紫外線発光素子。
  20. 前記第１の反射層、前記第２の導電型半導体層、及び前記第３の導電型半導体層のいずれか一層は、他の層と異なる半導体材料を含むことを特徴とする請求項２又は１９に記載の紫外線発光素子。
  21. 更に、前記第１の導電型半導体層の下に配置される第１の電極と、
    前記第２及び第３の導電型半導体層のいずれか一層の下に配置される第２の電極を含むことを特徴とする請求項２又は１９乃至２０のうち、いずれか１項に記載の紫外線発光素子。
  22. 前記第１の反射層の上面は、前記第２の電極の上面よりも低い位置に配置されることを特徴とする請求項２１に記載の紫外線発光素子。
  23. 前記第１及び第２の反射層の少なくとも１層は、互いに離隔した多数のパターンを含むことを特徴とする請求項３に記載の紫外線発光素子。
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