JP2017050392A - 半導体発光素子 - Google Patents
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本発明の一実施形態に係る半導体発光素子において、前記第1透光導電層および前記第2透光導電層は、ITO(酸化インジウムスズ)、ZnO(酸化亜鉛)およびIZO(酸化インジウム亜鉛)の組み合わせからなっていてもよい。
この場合、第1導電型のコンタクト層から透光導電層の第1部分を経て第2部分へ向かって、屈折率がn0>n1>n2の関係になっており、第1部分が、コンタクト層と第2部分との間の屈折率差を補う屈折率緩和部として機能する。
この場合、第1導電型のコンタクト層から絶縁層を経て透光導電層へ向かって、屈折率がn0>na>nbの関係になっており、絶縁層が、コンタクト層と透光導電層との間の屈折率差を補う屈折率緩和部として機能する。
この構成によれば、絶縁層に近い部分の屈折率を絶縁層の屈折率に近づけることができるので、絶縁層と透光導電層との界面での屈折率差を小さくできる。これにより、当該界面での反射を抑制できるので、透光導電層における光の透過率を一層向上することができる。
本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子において、前記透光導電層は、ITO(酸化インジウムスズ)を含んでいてもよい。
このような組み合わせによって、たとえば500nm〜900nmの波長帯域の光の反射率を向上させることができる。
また、本発明の一実施形態および他の実施形態に係る半導体発光素子では、以下の構成であってもよい。
たとえば、前記コンタクト層は、p型のGaPを含んでいてもよく、前記p型のGaPは、不純物として炭素を含んでいてもよい。
また、前記半導体発光素子は、前記半導体層上の表面電極を含んでいてもよく、前記基板の裏面上の裏面電極を含んでいてもよい。
また、前記半導体層の表面は、微細な凹凸形状に形成されていてもよい。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子1を示す平面図である。図2は、図1のII−II線に沿う断面図である。
この半導体発光素子1は、基板2と、基板2上の金属層3と、金属層3上の透光導電層4と、透光導電層4上の本発明の半導体層の一例としてのAlInGaP系半導体積層構造5と、基板2の裏面(AlInGaP系半導体積層構造5と反対側の表面)に接触するように形成されたp側電極6(裏面電極)と、AlInGaP系半導体積層構造5の表面に接触するように形成されたn側電極7(表面電極)とを含む。
透光導電層4は、少なくとも、屈折率n1を有する第1部分と、当該第1部分に対して金属層3側に配置され、当該屈折率n1よりも低い屈折率n2を有する第2部分とを含む。この実施形態では、当該第1部分の一例としての第1透光導電層41(屈折率n1)と、当該第2部分の一例としての第2透光導電層42(屈折率n2)との2層構造で構成されている。透光導電層4は、AlInGaP系半導体積層構造5から金属層3へ向かうにしたがって屈折率が段階的に小さくなる構成であれば、たとえば、第2透光導電層42と金属層3との間に、さらに、第3透光導電層(屈折率n3<屈折率n2)、第4透光導電層(屈折率n4<屈折率n3)・・・第n透光導電層(屈折率nn<屈折率nn−1)を含んでいてもよい。
AlInGaP系半導体積層構造5は、発光層8と、p型半導体層9と、n型半導体層10とを含む。p型半導体層9は発光層8に対して基板2側に配置されており、n型半導体層10は発光層8に対してn側電極7側に配置されている。こうして、発光層8が、p型半導体層9およびn型半導体層10によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層8には、n型半導体層10から電子が注入され、p型半導体層9から正孔が注入される。これらが発光層8で再結合することによって、光が発生するようになっている。
発光層8は、この実施形態では、InGaP層からなる量子井戸層(たとえば5nm厚)とAlInGaP層からなる障壁層(たとえば4nm厚)とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸(MQW:Multiple-Quantum Well)構造を有している。この場合に、InGaPからなる量子井戸層は、Inの組成比が5%以上とされることによって、バンドギャップが比較的小さくなり、AlInGaPからなる障壁層は、バンドギャップが比較的大きくなる。たとえば、量子井戸層(InGaP)と障壁層(AlInGaP)とは交互に10〜40周期繰り返し積層されており、これにより、多重量子井戸構造の発光層8が構成されている。発光波長は、量子井戸層のバンドギャップに対応しており、バンドギャップの調整は、Inの組成比を調整することによって行うことができる。Inの組成比を大きくするほど、バンドギャップが小さくなり、発光波長が大きくなる。この実施形態では、発光波長は、量子井戸層(InGaP層)におけるInの組成を調整することによって、610nm〜680nm(たとえば625nm)とされている。
表面電極としてのn側電極7は、この実施形態では、AuまたはAuを含む合金で構成されている。具体的には、(AlInGaP系半導体積層構造5側)Au/Ge/Ni/Auで示される積層構造であってもよい。
図3A〜図3Iは、図1および図2の半導体発光素子1の製造工程を工程順に示す図である。
次の工程は、成長基板24と基板2との貼り合わせ工程である。貼り合わせ工程では、成長基板24上の第1金属層26と基板2上の第2金属層27とが接合される。第2金属層27は、AuまたはAuを含む合金で構成されており、少なくとも最表面がAu層で構成されている。この第2金属層27は、貼り合わせ前に、たとえば蒸着法によって、基板2の表面(前述のp側電極6が形成される面の反対面)に形成されたものである。
次に、図3Hに示すように、AlInGaP系半導体積層構造5の周縁部が選択的に除去されることによって、メサ部17および引き出し部18が形成される。メサ部17および引き出し部18の形成は、たとえば、ウエットエッチングによって行ってもよい。
以上、この半導体発光素子1によれば、AlInGaP系半導体積層構造5から金属層3へ向かうにしたがって、透光導電層4の屈折率が第1透光導電層41(屈折率n1)および第2透光導電層42(屈折率n2<n1)の順に段階的に小さくなっているので、AlInGaP系半導体積層構造5に近い部分の屈折率をAlInGaP系半導体積層構造5の屈折率に近づけることができる。
半導体発光素子30では、透光導電層4とAlInGaP系半導体積層構造5との間に絶縁層31が配置されている。
この実施形態では、一対の枝状電極部21Bの外側の各外周領域23に、複数のコンタクト部32からなる外側列321が一列ずつ設けられている。各外側列321において、コンタクト部32は、枝状電極部21Bとの間に等しい間隔を保って枝状電極部21Bに沿って配列されている。
また、透光導電層4は、この実施形態では、ITO、ZnOまたはIZOの単層膜で構成されている。たとえば、絶縁層31および透光導電層4の好ましい組み合わせとしては、絶縁層31が、1.9〜2.2の屈折率nbおよび3000Å〜3500Åの厚さを有するSiN膜の単層膜からなり、透光導電層4が、550Å〜650Åの厚さを有するITOの単層膜からなることが挙げられる。このような組み合わせによって、たとえば500nm〜900nmの波長帯域の光の反射率を向上させることができる。むろん、透光導電層4は、絶縁層31よりも低い屈折率を有する範囲内では、前述の実施形態のように、少なくとも、屈折率n1を有する第1部分と、当該第1部分に対して金属層3側に配置され、当該屈折率n1よりも低い屈折率n2を有する第2部分とを含んでいてもよい。つまり、透光導電層4は、AlInGaP系半導体積層構造5から金属層3へ向かうにしたがって段階的に小さくなる屈折率を有していてもよい。
半導体発光素子30を製造するには、たとえば図6Aに示すように、GaAs等からなる成長基板24上に、エピタキシャル成長によってAlInGaP系半導体積層構造5が形成される。成長方法は、たとえば、分子線エピタキシャル成長法、有機金属気相成長法等、公知の成長方法を適用できる。この段階では、AlInGaP系半導体積層構造5は、成長基板24の側から順に、n型AlInGaPエッチングストップ層25、n型GaAsコンタクト層16、n型AlInGaPウィンドウ層15、n型AlInPクラッド層14、発光層8、p型AlInPクラッド層13、p型GaPウィンドウ層12およびp型GaPコンタクト層11を含んでいる。AlInGaP系半導体積層構造5の形成後、たとえばCVD法によって、絶縁層31が形成される。その後、絶縁層31が選択的にエッチングされることによってコンタクトホール33が形成される。
次に、図6Cに示すように、たとえば蒸着法によって、透光導電層4上に第1金属層26(たとえば1.7μm厚)が形成される。第1金属層26は、AuまたはAuを含む合金で構成されており、少なくとも最表面がAu層で構成されている。
次に、図6Iに示すように、AlInGaP系半導体積層構造5の周縁部が選択的に除去されることによって、メサ部17および引き出し部18が形成される。メサ部17および引き出し部18の形成は、たとえば、ウエットエッチングによって行ってもよい。
以上、この半導体発光素子30によれば、絶縁層31が、AlInGaP系半導体積層構造5と透光導電層4との間の屈折率差を補う屈折率緩和部として機能するので、AlInGaP系半導体積層構造5に近い部分の屈折率を半導体層の屈折率に近づけることができる。
しかも、絶縁層31に対して相対的に屈折率が低い透光導電層4が金属層3側に配置されているため、金属層3で反射した光が透光導電層4から絶縁層31を通過する際、透光導電層4から絶縁層31への入射は、屈折率が小さい媒質から大きい媒質への進入となる。したがって、透光導電層4と絶縁層31との界面で金属層3側に再度反射して戻ってくることを抑制することもできる。その結果、半導体発光素子30の光取り出し効率を向上させることができる。
たとえば、図1および図2の実施形態において、透光導電層4は、基板2の面内全域に亘って積層構造を有しているが(つまり、積層界面が基板2の面内全域に亘って形成されている)、たとえば、光の取り出しに比較的寄与しない半導体発光素子1の周縁部には積層構造が形成されていなくてもよい。この場合、図7に示すように、第2透光導電層42は、たとえば第1透光導電層41の中央部に埋め込まれ、その底面に積層界面が形成されていてもよい。
まず、AlInGaP系半導体積層構造5から金属層3へ向かうにしたがって屈折率を段階的に小さくすることによって得られる効果に関して、実測データに基づいて詳細に説明する。
(1)ITOのみ、SiN+ITOおよびSiO2+ITOの比較
図9および図10に示す[実験サンプル]の構造に対して、光を垂直に入射することによってAu層からの反射率を測定した。
(2)ITO膜厚の比較(SiN膜なし)
図11に示す[実験サンプル]の構造に対して、光を垂直に入射することによってAu層からの反射率を測定した。サンプルは4パターン作製し、それぞれITOの厚さdを、631Å、713Å、950Åおよび2774Åとした。
(3)SiN膜厚の比較(ITO=950Å)
図12に示す[実験サンプル]の構造に対して、光を垂直に入射することによってAu層からの反射率を測定した。サンプルは5パターン作製し、それぞれSiN膜の厚さdを、1023Å、2428Å、2980Å、3437Åおよび3944Åとした。また、参考として、SiN膜がないサンプルの反射率も測定した。
(4)SiN屈折率の比較(ITO=950Å)
図13に示す[実験サンプル]の構造に対して、光を垂直に入射することによってAu層からの反射率を測定した。サンプルは3パターン作製し、それぞれSiN膜の屈折率nおよび厚さdを、(n=1.995、d=2428Å)、(n=2.261、d=2673Å)および(n=2.396、d=2413Å)とした。
(5)SiN膜質とITO膜厚との関係
図14〜図16に示す[実験サンプル]の構造に対して、光を垂直に入射することによってAu層からの反射率を測定した。サンプルはSiN膜質に関して3パターンとし、それぞれSiN膜の屈折率nおよび厚さdを、(n=1.995、d=1023Å)、(n=2.008、d=2980Å)および(n=2.02、d=3437Å)とした。さらに、当該各サンプルについて、ITO膜厚が異なるものを3種類作製した。ITO膜厚dは、それぞれ、d=631Å、d=713Åおよびd=950Åとした。
一方、図14〜図16の結果を比較したところ、SiN膜質n=2.008、d=2980ÅおよびITO膜厚d=631Åの組み合わせ(図15)が最も高い反射率(約79%)であった。したがって、SiN膜とITOとを組み合わせる場合には、SiN膜質(屈折率および膜厚)およびITO膜厚を、この数値付近に合わせれば比較的高い反射率を得ることができる。
(6)輝度評価
本願発明者は、さらに、図4および図5の実施形態(SiN/ITO)の構造によって半導体発光素子の輝度がどの程度向上するのかを調べた。他の構造との比較のため、図17の構造(比較例1)および図18の構造(参考例1および2)の輝度も測定した。
2 基板
3 金属層
4 透光導電層
5 AlInGaP系半導体積層構造
6 p側電極
7 n側電極
8 発光層
9 p型半導体層
10 n型半導体層
11 p型GaPコンタクト層
19 微細な凹凸形状
30 半導体発光素子
31 絶縁層
32 コンタクト部
41 第1透光導電層
42 第2透光導電層
Claims (19)
- 基板と、
前記基板上の金属層と、
前記金属層上に形成され、発光層、前記発光層に対して前記基板側に配置された第1導電型層、および前記発光層に対して前記基板の反対側に配置された第2導電型層を含む半導体層と、
前記金属層と前記半導体層との間の透光導電層であって、少なくとも、屈折率n1を有する第1部分と、当該第1部分に対して前記金属層側に配置され、当該屈折率n1よりも低い屈折率n2を有する第2部分とを含む透光導電層とを含む、半導体発光素子。 - 前記第1部分は、前記屈折率n1を有する第1透光導電層であり、前記第2部分は、前記屈折率n2を有する第2透光導電層である、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記第1透光導電層および前記第2透光導電層は、ITO(酸化インジウムスズ)、ZnO(酸化亜鉛)およびIZO(酸化インジウム亜鉛)の組み合わせからなる、請求項2に記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型層は、前記透光導電層に接続され、前記屈折率n1よりも高い屈折率n0を有するコンタクト層を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 基板と、
前記基板上の金属層と、
前記金属層上に形成され、発光層、前記発光層に対して前記基板側に配置された第1導電型層、および前記発光層に対して前記基板の反対側に配置された第2導電型層を含む半導体層と、
前記金属層と前記半導体層との間の屈折率naを有する透光導電層と、
前記透光導電層と前記半導体層との間の絶縁層であって、当該屈折率naよりも高い屈折率nbを有する絶縁層とを含み、
前記透光導電層は、前記絶縁層を貫通して前記第1導電型層に接続されたコンタクト部を含む、半導体発光素子。 - 前記第1導電型層は、前記コンタクト部に接続され、前記絶縁層の屈折率naよりも高い屈折率n0を有するコンタクト層を含む、請求項5に記載の半導体発光素子。
- 前記透光導電層は、前記半導体層から前記金属層へ向かうにしたがって段階的に小さくなる屈折率を有している、請求項5または6に記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁層は、SiN膜を含む、請求項5〜7のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記SiN膜は、前記半導体層から前記金属層へ向かうにしたがって段階的に小さくなる屈折率を有している、請求項8に記載の半導体発光素子。
- 前記透光導電層は、ITO(酸化インジウムスズ)を含む、請求項5〜9のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁層が、1.9〜2.2の屈折率および3000Å〜3500Åの厚さを有するSiN膜の単層膜からなり、
前記透光導電層が、550Å〜650Åの厚さを有するITOの単層膜からなる、請求項5または6に記載の半導体発光素子。 - 前記コンタクト部は、前記基板の面内に離散的に配列された複数のコンタクト部を含む、請求項5〜11のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記コンタクト層は、p型のGaPを含む、請求項12に記載の半導体発光素子。
- 前記p型のGaPは、不純物として炭素を含んでいる、請求項13に記載の半導体発光素子。
- 前記金属層は、Auを含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記基板は、シリコン基板を含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体層上の表面電極を含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記基板の裏面上の裏面電極を含む、請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記半導体層の表面は、微細な凹凸形状に形成されている、請求項1〜18のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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JP6694650B2 (ja) | 2020-05-20 |
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