JP2014220539A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1半導体層と第2半導体層と第1及び第2半導体層の間に設けられた発光層とを有し、第2半導体層と発光層が選択的に除去されて第2半導体層の側の第1主面に第1半導体層の一部が露出した積層構造体と、第1主面上の第1半導体層上に設けられた第1金属膜を含む第1領域と、第1半導体層上に設けられ、発光層から放出される光に対する反射率が第1金属膜よりも高く、第1半導体層に対する接触抵抗が第1金属膜よりも高い第2金属膜を含む第2領域と、を有し、第1及び第2半導体層にそれぞれ接続された第1及び第2電極と、第1及び第2電極に覆われていない第1及び第2半導体層上に設けられ、屈折率の異なる誘電体膜が複数積層された誘電体積層膜と、を備えた半導体発光素子を提供する。
【選択図】図1
Description
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、本発明の第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、同図(b)は平面図であり、同図(a)は同図(b)のA−A’線断面図である。
図1(a)に表したように、本発明の第1の実施形態に係る半導体発光素子101においては、例えばサファイアからなる基板10の上にn型半導体層(第1半導体層)1、発光層3及びp型半導体層(第2半導体層)2がこの順に積層された積層構造体1sが形成されている。
すなわち、誘電体積層膜11は、第1屈折率n1を有する第1誘電体層と、前記第1屈折率n1とは異なる第2屈折率n2を有する第2誘電体層と、を交互に複数積層してなり、前記発光層3の発光波長をλとした時、前記第1誘電体層のそれぞれの厚さは実質的にλ/(4n1)であり、前記第2誘電体層のそれぞれの厚さは実質的にλ/(4n2)である。
そのため、紫外発光の半導体発光素子で、且つ第2n側電極膜7bが、銀またはアルミニウム合金の場合、半導体界面側の第2n側電極膜7bは、銀またはアルミニウムの成分比が高い方が望ましい。
また、第2n側電極膜7bの膜厚は、光に対する反射効率を確保するため、100nm以上であることが好ましい。
また、図1(b)においては、誘電体積層膜11は省略されている。
本実施形態に係る半導体発光素子101は、例えば、サファイアからなる基板10の上に形成された窒化物半導体から構成される。
また、高純度第2AlNバッファ層は、表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープGaNバッファ層の欠陥が低減されるが、そのためには高純度第2AlNバッファ層の膜厚は、1μmよりも厚いことが好ましい。また、歪みによるそり防止のためには、高純度第2AlNバッファ層の厚みは4μm以下であることが望ましい。高純度第2AlNバッファ層は、AlNに限定されず、AlxGa1−xN(0.8≦x≦1)でも良く、ウェーハのそりを補償することができる。
図2は、比較例の半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図2に表したように、比較例の半導体発光素子90においては、n側電極7は単一の金属層で構成されている。そして、誘電体積層膜11は形成されていない。すなわち、誘電体積層膜11の代わりに、図示されていない単層の誘電体膜として、例えばSiO2が400nm形成されている。
まず、p側電極4を形成するため、パターニングされたリフトオフ用レジストを半導体層上に形成し、p型コンタクト層上に、真空蒸着装置を用いてp側電極4の一部となるAgを200nmの膜厚で形成し、リフトオフ後に350℃の窒素雰囲気でシンター処理を行う。
比較例の半導体発光素子90では、n側電極7の全面がオーミックコンタクトを得る金属により形成されている。このような金属を用いた場合、n側電極7の反射率は必ずしも十分に高くない。さらに、オーミックコンタクト領域においては、n側電極7とn型半導体層1との間で反応(合金化)が生じ易く、これも光の反射率を低下させる要因となる。また、電極が形成された主面側をサブマウント等にマウントする場合、p側電極4が形成されていない主面内の領域に入射した発光光は、マウント材に吸収されてしまう。このため、発光層3から放出された光の取り出し効率の点では改善の余地がある。
そこで、図1(a)、(b)に表した具体例のように、第2n側電極膜7bよりも第1n側電極膜7aをp側電極4により近づけることにより、オーミックコンタクト領域となる第1n側電極膜7aの面積が小さくても、p側電極4との間で電流をより確実に流すことができる。
図3に表したように、本発明の第1の実施形態に係る変形例の半導体発光素子101aにおいては、n側電極7は、p側電極4に取り囲まれ、4方に延出した部分を有する。
図4に表したように、本発明の第1の実施形態に係る別に変形例の半導体発光素子101bにおいては、n側電極7のうちのワイヤボンディングやバンプのための領域は、素子の隅部に設けられている。そして、n側電極7は、p側電極4の中に割り込むようにして4方に延出した部分を有する。
なお、n側電極7においてボンディングに必要なパッドの大きさは、例えば、50μm〜150μm程度である。
すなわち、同図は、GaNから誘電体積層膜11へ垂直に入射した発光光の反射率に関するシミュレーション結果を例示しており、同図(a)は、反射率の屈折率比依存性を例示しており、同図(b)は、反射率のペア数依存性を例示している。なお、同図(a)の横軸は、誘電体積層膜11における2種類の組み合わせの誘電体の屈折率比を表し、同図(b)の横軸は、誘電体積層膜11における2種類の組み合わせの誘電体のペア数を表し、同図(a)、(b)の縦軸は、反射率を表す。
なお、本シミュレーションにおいては、既に説明した半導体発光素子101の誘電体積層膜11の材料の物性値を用いて、各パラメータを変化させている。
例えば、図5(a)に表したように、反射率が95%以上とするには、屈折率比は1.4以上が望ましい。
また、図5(b)に表したように、反射率が95%以上とするには、ペア数は3以上とすることが望ましい。
図6は、本発明の第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。
図6に表したように、本発明に係る第2の実施形態に係る半導体発光素子102においては、n側電極7の上にn側パッド(第1パッド)75が設けられ、p側電極4は、p側半導体2の上に設けられ、高効率反射膜となる第2p側電極膜(第4金属膜)4bと、第2p側電極膜4bの上に設けられ、必ずしも高効率反射特性を必要としない金属からなる第1p側電極膜(第3金属膜)4aと、を有している。その他の構成については、図1に例示した半導体発光素子101と同様とすることができるので説明を省略する。
図7は、本発明の第2の実施形態に係る半導体発光素子の製造工程を例示する工程順模式的断面図である。
図8は、図7に続く工程順模式的断面図である。
逆に、オーミック特性を有するn側電極、すなわち第1n側電極膜7aの上に、高効率反射特性を有するn側電極、すなわち、第2n側電極膜7bが乗り上げないよう、両電極がパターンの位置合わせ精度を考慮した分わずかに離れるように設計しても良い。
また、オーミック特性を有するn側電極、すなわち、第1n側電極膜7aの上の一部、又は、全体を覆うように、高効率反射特性を有するn側電極、すなわち、第2n側電極膜7bが形成されるように設計しても良い。
さらに、その上に、図示しないパターニングされたレジストを形成し、フッ化アンモン処理で、p側電極4とn側電極7とが露出するように誘電体積層膜を除去し、図6に例示した誘電体積層膜11が形成される。
図9は、本発明の第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。
図9に表したように、本発明の第3の実施形態に係る半導体発光素子103aにおいては、n型半導体層1と、第2n側電極膜7bと、の間に、n側透明電極(透明電極)7tが設けられている。これ以外は、第1及び第2の実施形態に係る半導体発光素子と同様とすることができるので説明を省略する。なお、同図においては、図1に例示した基板10、積層構造体1s及びp側電極4は省略されている。
図10に表したように、本発明の第3の実施形態に係る別の半導体発光素子103bにおいては、p型半導体層2とp側電極4との間に、p側透明電極(透明電極)4tが設けられている。これ以外は、第1及び第2の実施形態に係る半導体発光素子と同様とすることができるので説明を省略する。なお、同図においては、図1に例示した基板10及びn側電極7は省略されている。
また、図10に例示した具体例では、p側透明電極4tは、p側電極4(第2p側電極膜4b)の全面に渡って設けられているが、本発明はこれに限らず、p側電極4(第2p側電極膜4b)の少なくとも一部と、p型半導体層2と、の間に、p側透明電極7tを設けることができる。
図11は、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図11に表したように、本発明の第4の実施形態に係る半導体発光装置104においては、発光層3を挟む半導体層、すなわち、積層構造体1sが斜面であるテーパ形状部1tを有し、それに伴い、誘電体積層膜11がテーパ形状部1tを斜めに被覆している。すなわち、積層構造体1sは、第1及び第2半導体層1、2の層面に対して傾斜したテーパ形状部1tを有している。
これ以外は、第1の実施形態に係る半導体発光素子101と同様とすることができるので説明を省略する。
すなわち、同図は、テーパの角度と誘電体積層膜11の反射率の関係の計算結果を例示しており、横軸はテーパの角度を表し、縦軸は誘電体積層膜11の反射率を表す。ここで、テーパの角度は、積層構造体1sの主面1aとテーパ形状部1tの面とのなす角度であり、テーパの角度が小さいほど、テーパ形状部1tの傾斜が緩やかな斜面となり、テーパの角度が90度の時は、n型半導体層1及びp型半導体層2の段差部は階段状の側面を有する。そして、同図は、第1の実施形態に係る半導体発光素子101で説明した設計条件を用いた計算結果を例示している。
なお、このテーパの角度に対する高い反射特性のマージンは、積層する2種類の誘電体の屈折率比が大きいほど広くなる。
図13は、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図14は、本発明の第5の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図15は、図14に続く工程順模式的断面図である。
図16は、図15に続く工程順模式的断面図である。
これ以外は、第2の実施形態に係る半導体発光素子102と同様とすることができるので説明を省略する。
そして、第1p側電極膜4aが誘電体膜11a上を被覆する長さは、製造工程上のパターン合わせ精度、反射膜として機能する第2p側電極膜4bの面積確保を考慮して、0.5μmから10μmの間が好ましい。
SiO2膜が取り除かれた領域に、真空蒸着装置を用いて第2p側電極膜4bとして、例えば、Agを200nmの膜厚で形成し、リフトオフ後に350℃の窒素雰囲気でシンター処理を行う。
図17は、本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図18は、本発明の第6の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図19は、図18に続く工程順模式的断面図である。
まず、図18(a)に表したように、p型半導体層2の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによってp型半導体層2と発光層3を取り除く。
すなわち、オーミック特性を有するn側電極領域である第1n側電極膜7aに対し、pコンタクト層とは反対側のnコンタクト層上の領域とp型コンタクト層の一部が開口されたリフトオフ用レジストを形成する。
逆に、オーミック特性を有するn側電極(第1n側電極膜7a)の上に、高効率反射特性を有するn側電極(第2n側電極膜7b)が乗り上げないよう、両電極がパターンの位置合わせ精度を考慮した分わずかに離れるように設計しても良い。
このようにして、本実施形態に係る半導体発光素子106が作製できる。
これにより、工程数を減らすことができ、発光層で生じた光を効率良く外部に取り出すことができ、高いスループット、低コストの半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。
図20は、本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図21は、本発明の第7の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図22は、図21に続く工程順模式的断面図である。
まず、図21(a)に示したように、p型半導体層2の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いてドライエッチングによってp型半導体層2と発光層3を取り除く。
逆に、オーミック特性を有するn側電極(第1n側電極膜7a)の上に高効率反射特性を有するn側電極(第2n側電極膜7b)が乗り上げないよう、両電極がパターンの位置合わせ精度を考慮した分わずかに離れるように設計しても良い。
また、オーミック特性を有するn側電極(第1n側電極膜7a)の上の一部又は全体を覆うように、高効率反射特性を有するn側電極(第2n側電極膜7b)が形成されるように設計しても良い。
このようにして、本実施形態に係る半導体発光素子107が作製できる。
これにより、工程数を減らすことができ、発光層で生じた光を効率良く外部に取り出すことができ、高いスループット、低コストの半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。
図23は、本発明の第8の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図24は、本発明の第8の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図25は、図24に続く工程順模式的断面図である。
まず、図24(a)に示したように、p型半導体層2の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いてドライエッチングによってp型半導体層2と発光層3を取り除く。
このようにして、本実施形態に係る半導体発光素子108が作製できる。
図26は、本発明の第9の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図26に表したように、本発明の第9の実施形態に係る半導体発光素子109においては、第1の実施形態に係る半導体発光素子101において、p側電極4の上にp側パッド45が設けられている。そして、n側電極7にn側パッド75が設けられている。これら以外は、第1の実施形態に係る半導体発光素子101と同様とすることができるので説明を省略する。
これにより、ボンダビリティが向上する。さらに、半導体発光素子の放熱性が改善できる。
図27は、本発明の第10の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図27に表したように、本発明の第10の実施形態に係る半導体発光素子110においては、第1の実施形態に係る半導体発光素子101において、p側電極4が、既に説明した第1p側電極膜4a及び第2p側電極膜4bを有し、さらに、第1p側電極膜4aと第2p側電極膜4bとの間に設けられ、第1p側電極膜4aを構成する材料が第2p側電極膜4bに拡散することを抑制する第3p側電極膜(第5金属膜)4cを有している。これ以外は、第1の実施形態に係る半導体発光素子101と同様とすることができるので説明を省略する。
図28は、本発明の第11の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図28に表したように、本発明の第11の実施形態に係る半導体発光素子111においては、第4の実施形態に係る半導体発光素子104において、n型半導体層1もテーパ形状部1rを有している。そして、それに伴い、誘電体積層膜11は、積層構造体1sのテーパ形状部1t、及び、n型半導体層1のテーパ形状部1rを斜めに被覆している。これ以外は、半導体発光素子104と同様とすることができるので説明を省略する。
図29は、本発明の第12の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図30は、本発明の第12の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図31は、図30に続く工程順模式的断面図である。
これ以外は、半導体発光素子101と同様とすることができるので説明を省略する。
まず、図30(a)に表したように、p型半導体層2の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによってp型半導体層2と発光層3を取り除く。
このようにして、本実施形態に係る半導体発光素子112を形成することができる。
図32は、本発明の第13の実施形態に係る半導体発光素子の構造を例示する模式的断面図である。
図33は、本発明の第13の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図34は、図33に続く工程順模式的断面図である。
これ以外は、半導体発光素子101と同様とすることができるので説明を省略する。
まず、図33(a)に表したように、p型半導体層2の一部の領域において、n型コンタクト層が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによってp型半導体層2と発光層3を取り除く。
このようにして、本実施形態に係る半導体発光素子113を形成することができる。
図35は、本発明の第14の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図35に表したように、本発明の第14の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、まず、基板10の上に、第1半導体層(n型半導体層1)、発光層3及び第2半導体層(p型半導体層2)を積層して形成する(ステップS110)。これには、例えば、第1の実施形態に関して説明した方法を用いることができる。
これにより、工程数を減らすことができ、発光層で生じた光を効率良く外部に取り出すことができ、高いスループット、低コストの半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
図36は、本発明の第15の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図36に表したように、本発明の第15の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、まず、基板10の上に、第1半導体層(n型半導体層1)、発光層3及び第2半導体層(p型半導体層2)を積層して形成する(ステップS210)。これには、例えば、第1の実施形態に関して説明した方法を用いることができる。
図37に表したように、本発明の第15の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の変形例では、前記第1半導体層の露出工程(ステップS220)から、前記誘電体積層膜11の形成工程(ステップS230)の間に、前記第1半導体層及び前記第2半導体層の上に、前記誘電体積層膜11よりも、前記第1半導体層及び前記第2半導体層の段差に対しての被覆性が高い誘電体膜11aを形成する(ステップS225)。
図38は、本発明の第16の実施形態に係る半導体発光装置の構造を例示する模式的断面図である。
本発明の第16の実施形態に係る半導体発光装置201は、上記の各実施形態に係る半導体発光素子のいずれかと、蛍光体と、を組み合わせた白色LEDである。なお、以下では、第1の実施形態に係る半導体発光素子101と、蛍光体と、を組み合わせた場合として説明する。
赤色蛍光体としては、例えばY2O3、YVO4、Y2(P,V)O4等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。赤色蛍光体の母材としては、Y2O3、YVO4の他に、LaOSやY2(P, V)O4等を用いることができる。また、Eu3+の他にMn4+等を利用することもできる。特に、YVO4母体に、3価のEuと共に少量のBiを添加することにより、380nmの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、例えば、シリコン樹脂等を用いることができる。
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+等を用いることができる。
黄色蛍光体としては、例えばY3Al5:Ce3+等を用いることができる。
また、樹脂として、例えば、シリコン樹脂等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。
また、第2蛍光体層212に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が、効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。
これらの混色として、白色光やその他様々な色の光を、高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
なお、半導体発光素子101を作製する工程は、既に説明した方法を用いることができるので、以下では、半導体発光素子101が出来上がった後の工程について説明する。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
1a 第1主面
1b 第2主面
1s 積層構造体
1t、1r テーパ形状部
2 p型半導体層(第2半導体層)
3 発光層
4 p側電極(第2電極)
4a 第1p側電極膜(第3金属膜)
4b 第2p側電極膜(第4金属膜)
4c 第3p側電極膜(第5金属膜)
4t p側透明電極(透明電極)
7 n側電極(第1電極)
7a 第1n側電極膜(第1金属膜)
7b 第2n側電極膜(第2金属膜)
7t n側透明電極(透明電極)
8a 第1領域
8b 第2領域
10 基板
11 誘電体積層膜
11a 誘電体膜
22 容器
23 反射膜
24 サブマウント
25 金バンプ
26 ボンディングワイヤ
27 蓋部
45 p側パッド
75 n側パッド
90、101、101a、101b、102、103a、103b、104〜113 半導体発光素子
201 半導体発光装置
211、212 蛍光体層
Claims (9)
- 第1半導体層と、第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられた発光層と、を有し、前記第2半導体層と前記発光層が選択的に除去されて前記第2半導体層の側の第1主面に前記第1半導体層の一部が露出した積層構造体と、
前記積層構造体の前記第1主面上に設けられ、前記第1半導体層に接続された第1電極と、
前記積層構造体の前記第1主面上に設けられ、前記第2半導体層に接続された第2電極と、
前記第1主面上において、前記第1電極及び前記第2電極のいずれにも覆われていない前記第1半導体層及び前記第2半導体層の上に設けられ、屈折率の異なる複数の誘電体膜が積層されてなる反射性の誘電体積層膜と、
前記誘電体積層膜と、前記積層構造体と、の間に設けられSiO2を含む誘電体膜と、
を備え、
前記誘電体積層膜と、前記積層構造体と、の間に設けられた前記誘電体膜は、突出部を有し、前記突出部の上に、前記第1及び第2電極のいずれか、または、前記第1及び第2電極のいずれかと接続された導電膜、が設けられ、前記突出部の、前記第1及び第2電極の前記いずれか、または、前記第1及び第2電極のいずれかと接続された前記導電膜、が設けられた部分の上に、前記誘電体積層膜の一部が配置され、
前記第1及び第2電極の一部は、前記誘電体積層膜に覆われておらず、
前記第2電極上は、前記誘電体積層膜と、前記積層構造体と、の間に設けられた前記誘電体膜に覆われていないことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第2電極は、
第3金属膜と、
前記第3金属膜と前記第2半導体層との間に設けられ、前記発光層から放出する光に対する反射率が前記第3金属膜よりも高い第4金属膜と、
を有す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2電極は、前記第3金属膜と前記第4金属膜との間に設けられ、前記第3金属膜に含まれる材料が前記第4金属膜に拡散することを抑制する第5金属膜をさらに有することを特徴とする請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記第1半導体層と前記第1電極との間、及び前記第2半導体層と前記第2電極との間、の少なくともいずれかの、少なくとも一部に設けられた透明電極をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記第2半導体層と前記発光層が選択的に除去された部分の側面は、前記第1及び第2半導体層の層面に対して傾斜し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。
- 前記誘電体積層膜は、第1屈折率n1を有する第1誘電体層と、前記第1屈折率n1とは異なる第2屈折率n2を有する第2誘電体層と、を交互に積層してなり、
前記発光層の発光波長をλとしたとき、前記第1誘電体層のそれぞれの厚さは実質的にλ/(4n1)であり、前記第2誘電体層のそれぞれの厚さは実質的にλ/(4n2)であ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。 - 前記積層構造体は、前記第1主面に対向する第2主面の側に設けられたサファイアからなる基板をさらに有する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。
- 前記積層構造体は、前記基板と前記第1半導体層との間に設けられた単結晶の窒化アルミニウム層をさらに有することを特徴とする請求項7記載の半導体発光素子。
- 前記窒化アルミニウム層の前記基板の側には、炭素の濃度が相対的に高い部分が設けられていることを特徴とする請求項8記載の半導体発光素子。
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