JP2018032820A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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上の絶縁層30と、絶縁層30上に形成され、発光層8、p型半導体層9およびn型半導体層10を含むIII−V族半導体構造5とを含み、p型半導体層9のp型GaPコンタクト層11の屈折率n1、絶縁層30の屈折率n2および透光導電層4の屈折率n3が、関係式:n1>n2<n3を満たす、半導体発光素子1を提供する。
【選択図】図3
Description
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子では、前記透光導電層と前記絶縁層との光学膜厚の合計厚さTが、λ/4(λは発光波長)の奇数倍であってもよい。
この構成によれば、絶縁層と透光導電層との光学膜厚の合計厚さTがλ/4(λは発光波長)の奇数倍であるため、絶縁層/透光導電層界面(第1界面)での反射率を効果的に低減することができる。これにより、当該第1界面を透過する光の量を増やすことができるので、金属層での光の反射量を増やすことができる。さらに、絶縁層と透光導電層との光学膜厚の合計厚さTを適切に設計するだけでよいので、構造自体も簡単で済む。
この構成によれば、第1導電型層/絶縁層界面(第2界面)における全反射光を増加させることができるので、光取り出し効率を一層向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子では、前記屈折率n1と前記屈折率n2との差が1.7以上であってもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子では、前記屈折率n1が3.0〜3.5であり、前記屈折率n2が1.3〜1.6であり、前記屈折率n3が1.7〜2.0であってもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子では、前記発光波長λが560nm〜660nmであり、前記光学膜厚の合計厚さTが1.25λであってもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子では、前記絶縁層は、前記第1導電型層を選択的に露出させるコンタクトホールを有し、前記コンタクトホールには、前記第1導電型層に電気的に接続されたコンタクトメタルが配置されており、前記透光導電層の端縁は、前記コンタクトホールの周縁よりも前記絶縁層上の領域側に後退して配置されていてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子では、前記金属層は、Auを含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子は、前記半導体層上の表面電極を含んでいてもよい。
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子は、前記基板の裏面上の裏面電極を含んでいてもよい。
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上の絶縁層30と、絶縁層30上の本発明の半導体層の一例としてのIII−V族半導体構造5と、基板2の裏面(III−V族半導体構造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、III−V族半導体構造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。
III−V族半導体構造5は、発光層8と、本発明の第1導電型層の一例としてのp型半導体層9と、本発明の第2導電型層の一例としての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。
p型AlInPクラッド層13は、AlInPにたとえばp型ドーパントとしてのMgをドープすることによってp型半導体とされている。一方、n型AlInPクラッド層14は、AlInPにn型ドーパントとしてのSiをドープすることによってn型半導体層とされている。
発光層8は、この実施形態では、AlX1InGaP層からなる量子井戸層(たとえば5nm厚)とAlX2InGaP層からなる障壁層(たとえば5nm厚)(ただし、X1<X2)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、AlX1InGaP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、AlX2InGaP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(AlX1InGaP)と障壁層(AlX2InGaP)とは交互に2〜50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またはAl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、またはAlの組成比を小さくするほど、バンドギャップが小さくなり、発光波長が長くなる。この実施形態では、発光波長は、量子井戸層(AlX1InGaP層)におけるInおよびAlの組成を調整することによって、560nm〜660nm(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、(III−V族半導体構造5側)AuGeNi/Auで示される積層構造であってもよい。
図3Aおよび図3Bは、図2の半導体発光素子1の要部拡大図である。図3Aおよび図3Bを参照して、半導体発光素子1の特徴について説明する。
次に、III−V族半導体構造5、絶縁層30および透光導電層4の屈折率に関して、半導体発光素子1では、p型GaPコンタクト層11の屈折率n1、絶縁層30の屈折率n2および透光導電層4の屈折率n3が、関係式:n1>n2<n3を満たしている。
一方、p型GaPコンタクト層11/絶縁層30界面を透過する光については、絶縁層30/透光導電層4界面で反射させるよりも、金属層3で反射させることが効率的である。そこで、この実施形態では、絶縁層30/透光導電層4界面での反射率を低減すべく、以下の条件を提供する。
またp型GaPコンタクト層11、絶縁層30および透光導電層4の屈折率n1〜n3、ならびに絶縁層30と透光導電層4との光学膜厚の合計厚さTを適切に設計するだけでよいので、構造自体も簡単で済む。
半導体発光素子1を製造するには、たとえば図4A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III−V族半導体構造5および絶縁層30が形成される。III−V族半導体構造5の成長方法は、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、III−V族半導体構造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。
次に、図4Cに示すように、たとえば蒸着法によって金属材料が絶縁層30上に堆積され、当該金属材料がパターニングされることによって、コンタクトホール31内にp側コンタクトメタル32が形成される。
次に、図4Eに示すように、透光導電層4を選択的に覆うマスク37が形成され、図4Fに示すように、このマスク37を介して透光導電層4の不要部分が除去される。これにより、コンタクトホール31の周縁よりも絶縁層30の裏面30a上の領域側に後退した位置に、透光導電層4の端縁4bが画成される(図3A参照)。
次の工程は、成長基板24と基板2との貼合わせ工程である。貼合わせ工程では、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。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、主に、p型半導体層9における絶縁層30と接触する層がp型GaPコンタクト層11であり、絶縁層30がSiO2膜であり、透光導電層4がITOである前提で説明したが、これらは、上記関係式n1>n2<n3を満たす材料の中から適宜変更することができる。たとえば、p型GaPコンタクト層11の他に絶縁層30に接触するp型層がある場合には、当該p型層の屈折率を本発明の屈折率n1として採用してもよい。
本願発明者らは、前述の表1に示したように光学膜厚の合計厚さTを1.25λ(λは発光波長)にすることによって、絶縁層30/透光導電層4界面での反射率がどの程度低減できるのかを調べた。比較のため、参考例として、光学膜厚の合計厚さTが1λの場合の反射率も測定した。結果を図5に示す。
2 基板
3 金属層
4 透光導電層
5 III−V族半導体構造
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 絶縁層
31 コンタクトホール
32 p側コンタクトメタル
Claims (14)
- 基板と、
前記基板上の金属層と、
前記金属層上の透光導電層と、
前記透光導電層上の絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、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を含み、
前記第1導電型層の屈折率n1、前記絶縁層の屈折率n2および前記透光導電層の屈折率n3が、関係式:n1>n2<n3を満たす、半導体発光素子。 - 前記透光導電層と前記絶縁層との光学膜厚の合計厚さTが、λ/4(λは発光波長)の奇数倍である、請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型層と前記絶縁層との界面における全反射の臨界角が、30°以下である、請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記屈折率n1と前記屈折率n2との差が1.7以上である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記屈折率n1が3.0〜3.5であり、前記屈折率n2が1.3〜1.6であり、前記屈折率n3が1.7〜2.0である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1導電型層がp型GaPを含み、前記絶縁層がSiO2を含み、前記透光導電層がITO(酸化インジウムスズ)を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記発光波長λが560nm〜660nmであり、前記光学膜厚の合計厚さTが1.25λである、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記絶縁層は、前記第1導電型層を選択的に露出させるコンタクトホールを有し、
前記コンタクトホールには、前記第1導電型層に電気的に接続されたコンタクトメタルが配置されており、
前記透光導電層の端縁は、前記コンタクトホールの周縁よりも前記絶縁層上の領域側に後退して配置されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体発光素子。 - 前記コンタクトホールの周縁と前記コンタクトメタルの端縁との間に空間が形成されており、
前記空間は、前記金属層で満たされている、請求項8に記載の半導体発光素子。 - 前記金属層は、Auを含む、請求項1〜9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1〜10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1〜11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1〜12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1〜13のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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