JP2014112599A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光取り出し効率を高めることができる半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】第1導電型のGaN半導体層13と、光取出面を有する第2導電型のInGaN半導体層16と、これらGaN半導体層及びInGaN半導体層間に設けられた発光層15と、を有し、InGaN半導体層の光取出面からGaN半導体層まで達し、GaN半導体層から光取出面に向かってその内径が拡大する窪み部Ptを更に有する。
【選択図】図1
【解決手段】第1導電型のGaN半導体層13と、光取出面を有する第2導電型のInGaN半導体層16と、これらGaN半導体層及びInGaN半導体層間に設けられた発光層15と、を有し、InGaN半導体層の光取出面からGaN半導体層まで達し、GaN半導体層から光取出面に向かってその内径が拡大する窪み部Ptを更に有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
近年、半導体発光素子として、GaN(窒化ガリウム)系半導体を有する半導体発光素子が研究されている(例えば、特許文献1参照)。かかる半導体発光素子は、p型のGaN層とn型のGaN層との間に、InGaN(インジウム窒化ガリウム)からなる発光層(活性層とも称する)を挟んだ構造を有する。従って、発光層から放射された光はGaN層を介して空間に放出されることになる。
ところで、GaN層の屈折率は空気中の屈折率に比して大きいので、発光層から放射された光の一部は、GaN層と空気(外部空間)との境界面で全反射してしまう。つまり、発光層から放射された光の内で、GaN層及び空気の各々の屈折率に対応した臨界角よりも大なる入射角で上記境界面に入射する光はこの境界面で反射してしまい、空間に放射されない。
よって、半導体発光素子では、発光層から放射された光の外部空間への取り出し効率が悪いという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、光取り出し効率が高く高発光効率の半導体発光素子及びその製造方法を提供することである。
本発明に係る半導体発光素子は、第1導電型のGaN半導体層と、光取出面を有する前記第1導電型とは反対導電型の第2導電型のInGaN半導体層と、前記GaN半導体層及び前記InGaN半導体層間に設けられた発光層と、を有し、前記InGaN半導体層の前記光取出面から前記GaN半導体層まで達し、前記GaN半導体層から前記光取出面に向かってその内径が拡大する窪み部を更に有することを特徴としている。
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上に第1導電型の第1のGaN系半導体層を形成する工程と、前記第1のGaN層上にInGaN結晶からなる超格子構造層又はInGaN層を形成しつつ、前記第1のGaN系半導体層内に存在する結晶欠陥に伴う空孔領域を前記超格子構造層又は前記InGaN層内で拡張させる工程と、前記超格子構造層又は前記InGaN層上に発光層を形成しつつ、前記超格子構造層又は前記InGaN層内で拡張された前記空孔領域を前記発光層内で更に拡張させる工程と、前記発光層上にInGaN結晶を含む第2導電型の第2のGaN系半導体層を形成しつつ、前記発光層内で拡張された前記空孔領域を第2のGaN系半導体層内で更に拡張させることにより前記第2のGaN系半導体層の表面に、前記第1のGaN系半導体層から前記第2のGaN系半導体層の表面に向かってその内径が拡大する窪み部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
従って、かかる構成によれば、第1導電型のGaN層上にInGaN結晶を含む層が積層されているので、インジウムを含まないGaN層が形成されている場合に比して、GaN層に対する格子定数の差が大となる。これにより、結晶欠陥に伴う空孔の領域が大となるので、第2導電型のInGaN層の光取出面には、InGaN半導体層の光取出面からGaN半導体層まで達し、且つこのGaN半導体層から光取出面に向かってその内径が拡大する窪み部が形成される。この際、発光層から放射された光の一部は、従来、光取出面で全反射していたが、これが上記した窪み部を介して外部空間へ放出されるようになる。
よって、本発明によれば、半導体発光素子の光取り出し効率を高めることが可能となる。
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1(a)は、本発明の実施例1としての半導体発光素子の一部をその光取出面側から眺めた正面図であり、図1(b)は、図1(a)のW−W線における半導体発光素子の断面を示す断面図である。
図1(b)に示すように、本発明に係る半導体発光素子は、結晶成長基板としてのサファイア(SiC)基板11上に、低温バッファ層12、n−GaN層13、超格子構造(以下、SLSと称する)層14、発光層15、及び光取出面を有するp−InGaN層16を積層させた構造を有する。
低温バッファ層12は、サファイア基板11上に形成されており、GaN結晶からなる層厚約10〜50nmの層である。また、n−GaN層13は、低温バッファ層12上に形成されており、GaN結晶からなる層厚約3〜4μmのn型の半導体層である。
SLS層14は、n−GaN層13上に形成されており、InGaN結晶層及びGaN結晶層が交互に積層されてなる合計層厚が約400〜1000nmの層である。
発光層15は、InXGa(1−X)N結晶(0.10≦X≦0.25)からなる層厚約3nmの井戸層と、GaN結晶又はInXGa(1−X)N(0.05≦X≦0.10)結晶からなる層厚約7nmの障壁層とが交互に積層されてなる、いわゆる多重量子井戸構造(MQW:Mmultiple Quantum Well)を有する層厚約100nmの層である。例えば、発光層15は、インジウムの組成(x)(以下、In組成と称する)が0.23のInGaN結晶からなる井戸層と、In組成が0.05のInGaN結晶からなる障壁層と、で構築されている。尚、発光層15の井戸層及び障壁層各々のIn組成及び層厚は、所望とする発光波長に応じて適宜設定されるものである。
p−InXGa(1−X)N層(0<x)16は、その一方の面が発光層15に接しており、他方の面が上記発光層15から放射された光を外部空間へ取り出す為の光取出面となっている。p−InGaN層16は、p型のInGaN結晶層上に、高濃度のp型のGaN結晶膜(膜厚:約5nm)が積層されてなる合計層厚約100〜200nmの層である。
上記した半導体発光素子は、例えば有機金属気相成長(以下、MOCVDと称する)法によって製造される。図2は、MOCVD装置(図示せぬ)による半導体発光素子の製造手順を示すフロー図である。
図2において、MOCVD装置は、リアクタ(図示せぬ)内にサファイア基板11が設置されると、先ず、リアクタ内の雰囲気温度を約400〜700℃に調整する。ここで、水素からなるキャリアガスを用いて、トリメチルガリウム(TMG)及びアンモニア(NH3)からなる原料ガスがリアクタ内に供給される。これにより、GaN結晶からなり、例えば層厚約10〜50nmの低温バッファ層12がサファイア基板11上に成長される(低温バッファ層形成工程S1)。
尚、かかる低温バッファ層形成工程S1でのGaN結晶の成長過程において、サファイア基板11とGaNとの格子定数の差に起因して結晶欠陥が生じ、図1(b)に示すような、サファイア基板11及び低温バッファ層12の境界面から結晶成長方向に向けて伸張する貫通転位Tdが多数発生する。
次に、基板11の温度(成長温度)を約1000〜1200℃に調整する。そして、上記したキャリアガスを用いて、シラン(SiH4)からなるドーパントガスと、TMG及びNH3からなる原料ガスとがリアクタ内に供給される。これにより、例えば層厚約3〜4μmのn型のGaN系半導体層としてのn−GaN層13をこの低温バッファ層12上に形成する(n型半導体層形成工程S2)。更に、このn型半導体層形成工程S2により、n−GaN層13内において、結晶欠陥に伴う各貫通転位Tdの発生箇所に空孔領域が形成される。
次に、基板11の温度を約800〜900℃に調整する。そして、窒素ガスをキャリアガスとして用いて、トリメチルインジウム(TMI)、TMG及びNH3からなる原料ガスがリアクタ内に供給される。これにより、InXGa(1−X)N結晶(0.05≦X≦0.20)をn−GaN層13上に成長させる。引き続き、TMIの供給を停止し、TMG及びNH3からなる原料ガスを用いてInGaN結晶層上にGaN結晶を形成する。上記したようなInGaN結晶層及びGaN結晶層を形成する一連の処理を複数回に亘り繰り返し実行することにより、層厚約400〜1000nmのSLS層14をn−GaN層13上に形成する。この際、n−GaN層13内に形成された空孔領域がSLS層14内で拡張される(SLS層形成工程S3)。
次に、基板11の温度を約800〜900℃に維持したまま、窒素ガスをキャリアガスとして用いて、トリエチルガリウム(TEG)、TMI及びNH3からなる原料ガスがリアクタ内に供給される。これにより、SLS層14上にInXGa(1−X)N結晶(0.10≦X≦0.25)を成長させ、例えば層厚約3nmの井戸層を形成する。引き続き、TEG及びNH3からなる原料ガスがリアクタ内に供給される。これにより、GaN結晶からなり、例えば層厚約7nmの障壁層をこの井戸層上に形成する。上記した井戸層及び障壁層各々を形成する一連の処理を複数回に亘り繰り返し実行することにより、井戸層及び障壁層が交互に積層されてなる、いわゆる多重量子井戸構造(MQW)を有する層厚約100nmの発光層15をSLS層14上に形成する。この際、SLS層14内で拡張した上記空孔領域が、この発光層15内で更に拡張される(発光層形成工程S4)。
次に、基板11の温度が約700〜800℃に調整され、ここで、窒素ガスをキャリアガスとして用いて、ドーパントガスであるシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)と、TEG、TMI及びNH3からなる原料ガスとをリアクタ内に供給することにより、発光層15上にp型のInGaN結晶を成長させる。そして、Cp2Mgの供給量を高めたドーパントガスと、TEG及びNH3からなる原料ガスとを用いて、このp型のInGaN結晶上にp型のGaN結晶層(層厚:約5nm)を成長させる。これにより、インジウムを含み且つ合計層厚約100〜200nmのp型のGaN系半導体層としてのp−InGaN層16を、発光層15上に形成する。この際、発光層15内で拡張した上記空孔領域が、このp−InGaN層16内で更に拡張される。これにより、p−InGaN層16の表面には、n−GaN層13からこのp−InGaN層16の表面(光取出面)に向かってその内径が拡大する窪み部Ptが形成される(p型半導体層形成工程S5)。
尚、このp型半導体層形成工程S5の直前の段階では結晶性の高い膜が成長してきているので、かかるp型半導体層形成工程S5では高温で結晶成長させるのが望ましい。ところが、高温で結晶成長させる場合、インジウムの取り込み量は減少する。そこで、p型半導体層形成工程S5では、p−InXGa(1−X)N結晶(0.05≦X≦0.20)の如きIn組成(X)を有する結晶を成長させる。
ここで、上記した低温バッファ層形成工程S1で発生した貫通転位Tdによる空孔領域は、図1(a)に示すように、n−GaN層13、SLS層14、発光層15及びp−InGaN層16の各々を介して徐々に拡張して行き、このp−InGaN層16の表面、つまり半導体発光素子の光取出面に到る。これにより、半導体発光素子の光取出面には、例えば図1(a)及び図1(b)に示すような、n−GaN層13からp−InGaN層16の表面(光取出面)に向かってその内径が拡大する多角形の開口部を有する多角錐状の窪み部Ptが複数形成される。尚、p−InGaN層16の表面に形成される窪み部Ptの形状としては、その開口部が多角形となる多角錐形状に限らず、円形の開口部を有する円錐状のものであっても良い。
この際、図1に示す半導体発光素子では、結晶成長過程において窪み部Ptの開口部を広げるべく、発光層15上に形成するp型半導体層として、インジウムを含むp−InGaN層16を採用するようにしている。
これにより、n−GaN層13上に形成する各層(14〜16)がインジウムを含むGaN系の層、つまりInGaN結晶を含む層となる。よって、GaNに対する格子定数の差によって結晶欠陥に伴う空孔の領域が大となり、その結果、図1(a)又は図1(b)に示すように、p−InGaN層16の表面(光取出面)からn−GaN層13まで達し、且つn−GaN層13からp−InGaN層16の表面に到る区間でその内径が拡大する円錐状又は多角錐状の窪み部Ptが形成される。この際、窪み部Ptの開口部の直径DMは、発光層15から放射される光を効率良く外部空間へ放出させる為に、その光の波長(真空波長)よりも大となっている。例えば、図1に示す半導体発光素子によって外部空間に放出される光の波長が約450nmである場合、直径DMは1μm〜5μmとなる。ここで、窪み部Ptの開口部の形状は円形のみならず、図1(a)に示すような多角形状となる場合もあることから、上記した直径DMは、窪み部Ptの開口部での平均内径を表すものとする。
上記した構成を有する半導体発光素子によれば、発光層15から放出された光の内で、図3に示すp−InGaN層16と空間との境界面(破線にて示す)、つまり光取出面に対して臨界角θCより大なる角度で放出される光(太線矢印にて示す)は、窪み部Ptによるp−InGaN層16の内壁面で屈折して外部空間に放出される。
よって、図1に示す半導体発光素子によれば、従来、p−InGaN層16と空間との境界面で全反射していた光を外部空間へ放出することが可能となるので、光取り出し効率が高くなる。
要するに、本発明に係る半導体発光素子は、第1導電型のGaN半導体層(13)と、光取出面を有し且つ第1導電型とは反対導電型の第2導電型のInGaN半導体層(16)との間に、InGaNを含む発光層(15)を形成したものである。更に、本発明に係る半導体発光素子では、上記したInGaNを含む層をGaN半導体層(13)上に積層することにより、第2導電型のInGaN半導体層(16)の光取出面から第1導電型のGaN半導体層(13)まで達し、且つこのGaN半導体層(13)から光取出面に向かってその内径が拡大する窪み部(Pt)を設けるようにしている。
かかる構成によれば、上記した光取出面に対して臨界角θCより大なる角度で発光層から放射される光に対しても、これを窪み部(Pt)を介して外部空間に放出できるようになるので、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
尚、図1に示す実施例1では、SLS層14上に発光層15を形成した構造を示しているが、SLS層14に代えてInGaN層上に発光層15を形成した構造を採用しても良い。
図4は、かかる点に鑑みて為された、図1(b)に示す半導体発光素子の変形例を示すW−W断面図である。尚、図4に示す構造では、図1(b)に示されるSLS層14に代えてInGaN層17を採用した点を除く他の構成は図1(b)に示すものと同一である。よって、以下にInGaN層17とその形成方法について説明する。
InGaN層17の形成工程では、基板11の温度を約800〜900℃に維持し、窒素ガスをキャリアガスとして用いて、TEG、TMI及びNH3からなる原料ガスをリアクタ内に供給する。これにより、n−GaN層13上にInXGa(1−X)N結晶(0.05≦X≦0.20)を成長させ、層厚が例えば約400〜1000nmのInGaN層17をn−GaN層13上に形成する。尚、図4に示すSLS層14に代えてInGaN層17を採用する場合、InGaN層17、発光層15及びp−InGaN層16による合計層厚Dを600nm〜1300nmとするのが望ましい。
ところで、上記実施例1に示される窪み部Ptの内壁では、n−GaN層13、SLS層14(又はInGaN層17)、発光層15及びp−InGaN層16各々の一部が外部空間に露出することになる。よって、窪み部Pt内に導電性の物質が付着するとリークする虞が生じる。そこで、このようなリークを防止する為に、各窪み部Ptに絶縁材を充填するようにしても良い。
図5は、かかる点に鑑みて為された、実施例2の半導体発光素子の断面、つまり図1(a)におけるW−W線での断面を示す断面図である。尚、図5に示される構成では、窪み部Ptの各々に絶縁材からなる充填材20が充填されている点を除く他の構成は、図1(b)又は図4に示されるものと同一である。
すなわち、真空蒸着法、スパッタリング法、又はスピンコート法によってシリコーン樹脂、又は耐紫外線タイプのエポキシ樹脂等の絶縁材をp−InGaN層16の表面に蒸着又は塗布することにより、絶縁材からなる充填材20を各窪み部Pt内に充填するのである。尚、真空蒸着法又はスパッタリング法によって絶縁材をp−InGaN層16の表面に蒸着した場合には、このp−InGaN層16の表面上において窪み部Ptの開口部以外の領域に蒸着した絶縁材を研磨してこれを除去する。これにより、図5に示すように、各窪み部Pt内にだけ充填材20が充填される。
また、更に効率良く窪み部Ptから光を取り出す為に、充填材20内に例えばアルミナ等の光散乱材を混合するようにしても良い。つまり、光散乱材を混合した液状の樹脂材をスピンコータを用いてp−InGaN層16の表面に塗布した後、その表面を研磨することにより、光散乱材が含まれる充填材20を各窪み部Pt内に充填するのである。尚、光散乱材としてのアルミナの粒径が700nm〜数μmであることから、窪み部Ptの開口部の直径DMを1μm〜5μm、更に、SLS層14、発光層15及びp−InGaN層16による合計層厚Dを600nm〜1300nmとするのが望ましい。また、上記のように光散乱材と絶縁材(樹脂材)とを混合させたものを充填材20とする場合、この絶縁材としては、その屈折率がGaN結晶の屈折率(約2.4)よりも小さいものを用いる。
図6(a)は、上記実施例1による半導体発光素子の変形例を示すW−W線での断面図であり、図6(b)は、上記実施例2による半導体発光素子の変形例を示すW−W線での断面図である。上記実施例1又は2に示す半導体発光素子では、SLS層14又はInGaN層17上に発光層15を形成するようにしているが、これらSLS層14、InGaN層17を省き、図6(a)及び図6(b)に示すように、n−GaN層13上に発光層15を形成するようにしても良い。
かかる構成によっても同様に、光取出面に対して臨界角θCより大なる角度で発光層から放射される光に対しても、これを窪み部(Pt)を介して外部空間に放出できるようになるので、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。
また、上述したIn組成(X)の値、各層の層厚等は例示に過ぎず、適宜改変しても良い。
11 サファイア基板
12 低温バッファ層
13 n−GaN層
14 SLS層
15 発光層
16 p−InGaN層
17 InGaN層
20 充填材
Pt 窪み部
12 低温バッファ層
13 n−GaN層
14 SLS層
15 発光層
16 p−InGaN層
17 InGaN層
20 充填材
Pt 窪み部
Claims (14)
- 第1導電型のGaN半導体層と、
光取出面を有する前記第1導電型とは反対導電型の第2導電型のInGaN半導体層と、
前記GaN半導体層及び前記InGaN半導体層間に設けられた発光層と、を有し、
前記InGaN半導体層の前記光取出面から前記GaN半導体層まで達し、前記GaN半導体層から前記光取出面に向かってその内径が拡大する窪み部を更に有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記光取出面での前記窪み部の開口部の径は、前記発光層から放射される光の波長よりも大であることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記窪み部には絶縁材が充填されていることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁材に光散乱材が混合されていることを特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁材は樹脂であり、前記光散乱材はアルミナであることを特徴とする請求項4記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁材の屈折率はGaN結晶の屈折率よりも小であることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1に記載の半導体発光素子。
- 前記InGaN半導体層におけるインジウム組成は0.05〜0.20であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1に記載の半導体発光素子。
- 前記窪み部の開口部の直径は1μm〜5μmであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層は、InXGa(1−X)N結晶(0.10≦X≦0.25)からなる井戸層と、GaN結晶又はInXGa(1−X)N(0.05≦X≦0.10)結晶からなる障壁層と、が交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1に記載の半導体発光素子。
- 前記発光層及び前記GaN層間には、InGaN結晶からなるInGaN層、又はInGaN結晶を含む超格子構造層が形成されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1に記載の半導体発光素子。
- 前記InGaN半導体層と、前記発光層と、前記超格子構造層又は前記InGaN層と、による合計層厚が600nm〜1300nmであることを特徴とする請求項10に記載の半導体発光素子。
- 基板上に第1導電型の第1のGaN系半導体層を形成する工程と、
前記第1のGaN層上にInGaN結晶からなる超格子構造層又はInGaN層を形成しつつ、前記第1のGaN系半導体層内に存在する結晶欠陥に伴う空孔領域を前記超格子構造層又は前記InGaN層内で拡張させる工程と、
前記超格子構造層又は前記InGaN層上に発光層を形成しつつ、前記超格子構造層又は前記InGaN層内で拡張された前記空孔領域を前記発光層内で更に拡張させる工程と、
前記発光層上にInGaN結晶を含む第2導電型の第2のGaN系半導体層を形成しつつ、前記発光層内で拡張された前記空孔領域を第2のGaN系半導体層内で更に拡張させることにより前記第2のGaN系半導体層の表面に、前記第1のGaN系半導体層から前記第2のGaN系半導体層の表面に向かってその内径が拡大する窪み部を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記記窪み部の開口部の径は、前記発光層から放射される光の波長よりも大であることを特徴とする請求項12記載の半導体発光素子。
- 前記窪み部に絶縁材を充填する工程を更に含むことを特徴とする請求項12又は13記載の半導体発光素子の製造方法。
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