JP2019195050A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】順方向電圧の上昇を抑えつつ、光取り出し効率を向上できる発光素子を提供する。【解決手段】発光素子は、光取り出し面と、前記光取り出し面の反対側に設けられたｎ側コンタクト面とを含むｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層における前記ｎ側コンタクト面を除く領域に設けられた発光層と、前記発光層上に設けられたｐ型半導体層と、を有する半導体積層体を備える。上面視において、前記ｐ型半導体層は、前記ｎ側コンタクト面を囲むように設けられている。前記ｎ側コンタクト面の中央部を含む領域に第１の絶縁膜が設けられている。前記ｎ側コンタクト面における前記第１の絶縁膜の周囲に設けられ、前記ｎ側コンタクト面に接するｎコンタクト部を有するｎ側電極が設けられている。【選択図】図４
Description
本発明は、発光素子に関する。
ｎ型半導体層における電極と接するｎ側コンタクト面の反対側の面から光を取り出す構造の発光素子において、そのｎ側コンタクト面での光反射効率を向上させることが望ましい。
本発明は、順方向電圧の上昇を抑えつつ、光取り出し効率を向上できる発光素子を提供する。
本発明の一態様によれば、光取り出し面と、前記光取り出し面の反対側に設けられたｎ側コンタクト面とを含むｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層における前記ｎ側コンタクト面を除く領域に設けられた発光層と、前記発光層上に設けられたｐ型半導体層と、を有する半導体積層体を備える発光素子であって、上面視において、前記ｐ型半導体層は、前記ｎ側コンタクト面を囲むように設けられており、前記ｎ側コンタクト面の中央部を含む領域に設けられた第１の絶縁膜と、前記ｎ側コンタクト面における前記第１の絶縁膜の周囲に設けられ、前記ｎ側コンタクト面に接するｎコンタクト部を有するｎ側電極と、前記ｐ型半導体層上に設けられ、前記ｐ型半導体層に接するｐ側電極と、を備えた発光素子が提供される。
本発明によれば、順方向電圧の上昇を抑えつつ、光取り出し効率を向上できる。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
図１は、本発明の実施形態の発光素子１の模式上面図である。
図２は、図１におけるII−II断面図である。
図２は、図１におけるII−II断面図である。
発光素子１は、基板１００と、基板１００上に設けられた半導体積層体１０とを有する。半導体積層体１０は、基板１００上に設けられたｎ型半導体層１１と、ｎ型半導体層１１上に設けられた発光層１２と、発光層１２上に設けられたｐ型半導体層１３とを有する。
基板１００は、発光層１２が発する光に対する透過性を有する。また、基板１００は、半導体積層体１０をエピタキシャル成長させることができる。基板１００の材料としては、例えば、サファイア、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、ニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウムなどが挙げられる。
半導体積層体１０には、例えば、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）等の半導体が好適に用いられる。
図２に示すように、ｎ型半導体層１１は、光取り出し面１１ａと、光取り出し面１１ａの反対側に設けられたｎ側コンタクト面１１ｂとを有する。光取り出し面１１ａは、ｎ型半導体層１１と基板１００との界面に位置する。光取り出し面１１ａからの光は、基板１００を透過し主に基板１００の側面から取り出される。発光素子１において、発光層１２からの光は基板１００の側面から主に取り出される。
発光層１２およびｐ型半導体層１３は、ｎ側コンタクト面１１ｂには設けられていない。例えば、基板１００上に、ｎ型半導体層１１、発光層１２、およびｐ型半導体層１３を順にエピタキシャル成長させた後、エッチングにより、ｐ型半導体層１３および発光層１２の積層部の一部を除去して、ｎ側コンタクト面１１ｂを形成する。ｐ型半導体層１３および発光層１２が積層された部分は、ｎ型半導体層１１上にメサ状に残される。
図３は、半導体積層体１０の模式上面図である。図３は、図２に示される光取り出し面１１ａの反対側から見た上面図である。
例えば円形状の複数のｎ側コンタクト面１１ｂが、ｎ型半導体層１１の光取り出し面１１ａの反対側の面に設けられている。発光層１２およびｐ型半導体層１３は、ｎ型半導体層１１の光取り出し面１１ａの反対側の面におけるｎ側コンタクト面１１ｂおよび外周領域１１ｃを除く領域に設けられている。
図３に示す上面視において、発光層１２およびｐ型半導体層１３は、ｎ側コンタクト面１１ｂを囲むように設けられている。
図２に示すように、ｐ型半導体層１３上に、第１ｐ側電極２１が設けられている。第１ｐ側電極２１は、ｐ型半導体層１３の上面に接している。
また、ｐ型半導体層１３上に、第１ｐ側電極２１およびｐ型半導体層１３の上面を覆うように絶縁膜４１が設けられている。さらに、その絶縁膜４１を覆うように絶縁膜４２が設けられている。
絶縁膜４２は、ｐ型半導体層１３の側面、発光層１２の側面、およびこれら側面に続くｎ型半導体層１１の側面を覆っている。すなわち、絶縁膜４２は、発光層１２およびｐ型半導体層１３が積層された部分であるメサ部１５の側面を覆っている。
その絶縁膜４２上に、ｎ側電極２２が設けられている。絶縁膜４２は、上記したように各部材の側面を覆い段差を有しており、ｎ側電極２２はその段差に沿うように設けられている。ｎ側電極２２は、ｎ側コンタクト面１１ｂに接するｎコンタクト部２２ａと、メサ部１５上の絶縁膜４２上に設けられた外部接続部２２ｃと、ｎ型半導体層１１の外周領域１１ｃに接する外周コンタクト部２２ｂとを有する。ｎコンタクト部２２ａ、外部接続部２２ｃ、および外周コンタクト部２２ｂは、一体につながっている。
外部接続部２２ｃの上には、ｎ側ポスト電極３２が設けられている。ｎ側ポスト電極３２は、ｎ側電極２２を通じて、ｎ型半導体層１１と電気的に接続されている。
第１ｐ側電極２１を覆う絶縁膜４１、４２の一部は開口され、その開口部に第２ｐ側電極２３が設けられている。第２ｐ側電極２３は、第１ｐ側電極２１に接している。第２ｐ側電極２３の一部は、絶縁膜４２上に設けられている。第２ｐ側電極２３上に、ｐ側ポスト電極３１が設けられている。ｐ側ポスト電極３１は、第２ｐ側電極２３および第１ｐ側電極２１を通じて、ｐ型半導体層１３と電気的に接続されている。
図４は、発光素子１におけるｎ側コンタクト面１１ｂが設けられた領域の模式拡大断面図である。
例えば円形状のｎ側コンタクト面１１ｂにおける中央部を含む領域に、絶縁膜４３が設けられている。ｎ側コンタクト面１１ｂは、中央部を含む領域と、その中央部を含む領域の周囲を囲む領域とを有する。そして、「中央部を含む領域」とは、ｎ側コンタクト面１１ｂが円形状の場合にはその円の中心を含む領域であり、ｎ側コンタクト面１１ｂが角形状の場合にはその角形の内接円の中心を含む領域であり、ｎ側コンタクト面１１ｂが円環状の場合にはその内周または外周が形成する円の中心を含む領域である。
図５は、ｎ側コンタクト面１１ｂ、絶縁膜４３、およびｎ側電極２２のｎコンタクト部２２ａの平面視における配置関係を示す模式平面図である。
絶縁膜４２は半導体積層体１０の全体を被覆するように形成され、その絶縁膜４２をパターニングして、ｎ側コンタクト面１１ｂに例えば円形状に絶縁膜４３を残す。したがって、絶縁膜４２と絶縁膜４３は同種材料の膜であり、絶縁膜４２の膜厚と絶縁膜４３の膜厚は略同じである。
絶縁膜４２をパターニングする際のプロセス上、絶縁膜４２の一部４２ａは、ｎ側コンタクト面１１ｂの外周領域にも、例えば円環状に残される。
ｎ側電極２２のｎコンタクト部２２ａは、絶縁膜４３の周囲に設けられ、例えば、円形状の絶縁膜４３を囲む円環状に設けられる。
絶縁膜４３をパターニングするエッチングプロセスに起因して、絶縁膜４３の断面視形状は、図４に示すように台形になる。この台形は、上底４３ａと、上底４３ａよりも長い下底４３ｂとを有し、下底４３ｂはｎ側コンタクト面１１ｂとの界面に位置する。
第１ｐ側電極２１としては、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｐｔ、またはそれらの金属を主成分とする合金を好適に用いることができる。また、第１ｐ側電極２１は、それらの金属材料の単層または積層でもよい。
ｎ側電極２２と、第２ｐ側電極２３は、例えば、同じ金属材料の膜をパターニングすることで得られる。それらｎ側電極２２および第２ｐ側電極２３としては、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、またはそれらの金属を主成分とする合金を好適に用いることができる。また、ｎ側電極２２および第２ｐ側電極２３は、それらの金属材料の単層または積層でもよい。
ｎ側電極２２および第２ｐ側電極２３は、例えば、下地との界面側から順に形成されたＡｌ膜、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜、およびＡｕ膜を含む。
ｎ側ポスト電極３２およびｐ側ポスト電極３１としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉなどの金属を好適に用いることができる。ｎ側ポスト電極３２およびｐ側ポスト電極３１は、例えば、電解メッキ法により形成することができる。
絶縁膜４１は、例えばシリコン窒化膜である。絶縁膜４１は、第１ｐ側電極２１に含まれる例えばＡｇのマイグレーションを防止する。絶縁膜４２および絶縁膜４３は、例えばシリコン酸化膜である。
ｎ側ポスト電極３２およびｐ側ポスト電極３１は、発光素子１が実装される配線基板に形成されたパッドに、例えばはんだなどの導電材料を介して接合される。すなわち、発光素子１は、ｎ側ポスト電極３２およびｐ側ポスト電極３１を配線基板に向けた状態で、基板１００およびｎ型半導体層１１の光取り出し面１１ａが配線基板の上方を向く。なお、基板１００はなくてもよい。
そして、発光層１２から放出された光は、光取り出し面１１ａを通じて外部に取り出される。光取り出し面１１ａの反対側の領域の大部分は、ｐ側電極２１、２３およびｎ側電極２２を構成する金属膜（例えば、良好な光反射性を有するＡｇ、Ａｌを含む）で覆われている。そのため、発光層１２から光取り出し面１１ａに直接向かわない光や、ｎ型半導体層１１と基板１００との界面で反射した光を、その金属膜で反射させて光取り出し面１１ａに向かわせることができる。
また、ｎ側コンタクト面１１ｂの中央部を含む領域には、ｎ側電極２２は設けられず、絶縁膜４３が設けられている。このため、ｎ側コンタクト面１１ｂの中央部を含む領域においては、ｎ側電極２２を構成する金属による光吸収を低減し、絶縁膜４３とｎ型半導体層１１との界面での全反射成分を増やすことができる。これは、ｎ型半導体層１１中を伝播してｎ側コンタクト面１１ｂに向かった光のｎ側コンタクト面１１ｂでの反射率を高め、光取り出し面１１ａ側からの光取り出し効率を向上させる。
図６は、ｎ側コンタクト面１１ｂに接するｎ側電極２２のｎコンタクト部２２ａの面積と、１０００ｍＡでの順方向電圧Ｖｆとの関係をシミュレーションしたグラフである。
φ１は図５に示すｎ側コンタクト面１１ｂの直径φ１の減少に伴うｎコンタクト部２２ａの面積の減少に対するＶｆの変化を表す。
φ２は図５に示す絶縁膜４３の直径φ２の増大に伴うｎコンタクト部２２ａの面積の減少に対するＶｆの変化を表す。
φ２は図５に示す絶縁膜４３の直径φ２の増大に伴うｎコンタクト部２２ａの面積の減少に対するＶｆの変化を表す。
なお、ｎ側コンタクト面１１ｂの外周領域には、図４に示す絶縁膜４２の一部４２ａが設けられないとした。したがって、ｎコンタクト部２２ａの面積は、ｎ側コンタクト面１１ｂの面積から絶縁膜４３の面積を引いた面積である。
ｎ側コンタクト面１１ｂの直径φ１が小さくなると、ｎコンタクト部２２ａの面積が小さくなり、順方向電圧Ｖｆが上がる。これに対して、絶縁膜４３の直径が大きくなることによるｎコンタクト部２２ａの面積の減少によっては、順方向電圧Ｖｆの大幅な上昇は見られない。
このような図６の結果より、ｎ側コンタクト面１１ｂにおいて、ｎ側電極２２の外部接続部２２ｃに近い外周部に電流が集中しており、中央部はほとんど電流が流れておらず、ｎ側コンタクト面１１ｂの外周付近に電流が集中していると考えられる。そのため、ｎ側コンタクト面１１ｂの中央部に絶縁膜４３を設け、その中央部を非導通としても発光層１２への電流供給の妨げにならず、順方向電圧は上昇しづらいと言える。
図７は、絶縁膜４３の直径φ２と、１０００ｍＡでの順方向電圧Ｖｆとの関係をシミュレーションしたグラフである。図７には、順方向電圧Ｖｆの平均値を表す。
図８は、絶縁膜４３の直径φ２と、１０００ｍＡでの光強度Ｐｏとの関係をシミュレーションしたグラフである。図８には、光強度Ｐｏの平均値を表す。
図７および図８のシミュレーションにおいて、ｎ側コンタクト面１１ｂの直径φ１は２１μｍに固定した。また、図６のシミュレーションと同様、ｎ側コンタクト面１１ｂの外周領域には、図４に示す絶縁膜４２の一部４２ａが設けられないとした。
図７および図８の結果より、φ２が１２μｍのときと、φ２が１６μｍのときでは、φ２が０μｍのとき（ｎ側コンタクト面１１ｂに絶縁膜４３が設けられていないとき）と同等の順方向電圧Ｖｆを維持しつつ、絶縁膜４３による全反射領域の増加により、光強度Ｐｏを高めることができる。すなわち、絶縁膜４３を設けた発光素子１であれば、順方向電圧Ｖｆの上昇を抑えつつ、光取り出し効率を向上できる。
図７および図８の結果より、ｎコンタクト部２２ａの面積は、ｎ側コンタクト面１１ｂの面積の４０％以上７０％以下が好ましいと言える。
ｎ側コンタクト面１１ｂおよび絶縁膜４３の形状は円形状に限らず、角形状であってもよい。
図５に示すように、円形状のｎ側コンタクト面１１ｂに円形状の絶縁膜４３を設けた場合には、絶縁膜４３の周囲に設けられるｎコンタクト部２２ａの形状を角のない円環状にすることができる。このような形状のｎコンタクト部２２ａでは、電流密度分布を均一化しやすい。
また、図４に示すように、絶縁膜４３の断面視形状が台形状であることで、絶縁膜４３の下面（台形の下底）４３ｂとｎ型半導体層１１との界面領域は大きく確保しつつ、絶縁膜４３に対するｎ側電極２２の被覆性を、絶縁膜４３の断面視形状が例えば矩形状である場合に比べて良好にできる。
図９は、図５に示す要素の他の配置パターンを示す模式平面図である。
ｎコンタクト部２２ａは、絶縁膜４３の周囲を囲む方向に沿って連続することに限らず、破線状であってもよい。この場合、ｎ側コンタクト面１１ｂの中央部に島状に残った絶縁膜４３が、メサ部１５を覆うように広い領域に設けられた絶縁膜４２の一部４２ａとつながり、絶縁膜４３の剥がれを抑制することができる。
図１０は、本発明の他の実施形態の発光素子における半導体積層体１０の模式上面図である。
図１１は、他の実施形態の発光素子におけるｎ側コンタクト面１１ｂが設けられた領域の模式拡大断面図である。
図１１は、他の実施形態の発光素子におけるｎ側コンタクト面１１ｂが設けられた領域の模式拡大断面図である。
図１０に示すように、ｎ側コンタクト面１１ｂは円環状に形成され、そのｎ側コンタクト面１１ｂで囲まれた領域に、半導体積層体１０の一部として、発光層１２およびｐ型半導体層１３が積層された部分であるメサ部１５が設けられている。
図１１に示すように、メサ部１５は、ｎ側コンタクト面１１ｂよりも突出している。絶縁膜４３は、メサ部１５の上面および側面を覆っている。絶縁膜４３はメサ部１５の側面に直接設けられている。絶縁膜４３とメサ部１５の上面との間には、絶縁膜４１と第１ｐ側電極２１が設けられている。なお、絶縁膜４３とメサ部１５の上面との間に、絶縁膜４１と第１ｐ側電極２１を設けず、絶縁膜４３をメサ部１５の上面に直接設けてもよい。
絶縁膜４３上にはｎ側電極２２が設けられている。ｎ側電極２２のｎコンタクト部２２ａは、メサ部１５を囲む円環状のｎ側コンタクト面１１ｂに接している。また、図１２に示すように、ｎ側コンタクト面１１ｂで囲まれた絶縁膜４３上には、ｎ側電極２２を設けなくてもよい。
絶縁膜４３がメサ部１５の上面および側面を覆うように立体的に設けられることで、図４に示す平面的な絶縁膜４３に比べて、ｎ側コンタクト面１１ｂの中央部を含む領域における絶縁膜４３の面積を増大させることができる。このため、ｎ側コンタクト面１１ｂの中央部を含む領域において、絶縁膜４３により全反射される発光層１２からの光を増やすことができる。
図１３に示すように、絶縁膜４３とメサ部１５との間に反射膜２４を設けてもよい。反射膜２４は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、またはそれらの金属を主成分とする合金を含むことが好ましい。絶縁膜４３は、反射膜２４を覆い、反射膜２４にＡｇやＡｌなどの金属を用いた場合に生じる金属のマイグレーションを防止する。
図１４に示すように、ｎ側コンタクト面１１ｂで囲まれた領域に、発光層１２およびｐ型半導体層１３を含まない、ｎ型半導体層１１の一部１１ｄを設けてもよい。ｎ型半導体層１１の一部１１ｄは、ｎ側コンタクト面１１ｂよりも突出し、そのｎ型半導体層１１の一部１１ｄの上面および側面に、絶縁膜４３が直接設けられている。上記メサ部１５に比べて、ｎ側コンタクト面１１ｂと、ｎ型半導体層１１の一部１１ｄの上面との間の段差を小さくすることができ、段差が大きい場合に比べて絶縁膜４３を優れた被覆性で形成しやすくなる。また、ｎ型半導体層１１の一部１１ｄの上面および側面と絶縁膜４３との間に図１３で示したような反射膜２４が設けられていてもよい。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
１…発光素子、１０…半導体積層体、１１…ｎ型半導体層、１１ａ…光取り出し面、１１ｂ…ｎ側コンタクト面、１２…発光層、１３…ｐ型半導体層、２１…ｐ側電極、２２…ｎ側電極、２２ａ…ｎコンタクト部、２２ｃ…外部接続部、２４…反射膜、４１〜４３…絶縁膜、１００…基板
Claims (9)
- 光取り出し面と、前記光取り出し面の反対側に設けられたｎ側コンタクト面とを含むｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層における前記ｎ側コンタクト面を除く領域に設けられた発光層と、前記発光層上に設けられたｐ型半導体層と、を有する半導体積層体を備える発光素子であって、
上面視において、
前記ｐ型半導体層は、前記ｎ側コンタクト面を囲むように設けられており、
前記ｎ側コンタクト面の中央部を含む領域に設けられた第１の絶縁膜と、
前記ｎ側コンタクト面における前記第１の絶縁膜の周囲に設けられ、前記ｎ側コンタクト面に接するｎコンタクト部を有するｎ側電極と、
前記ｐ型半導体層上に設けられ、前記ｐ型半導体層に接するｐ側電極と、
を備えた発光素子。 - 前記ｎ側コンタクト面は、円形状であり、
前記第１の絶縁膜は、円形状である請求項１記載の発光素子。 - 前記第１の絶縁膜の断面視形状は上底と前記上底よりも長い下底とを有する台形であり、前記下底は前記ｎ側コンタクト面との界面に位置する請求項１または２に記載の発光素子。
- 前記ｎコンタクト部の面積は、前記ｎ側コンタクト面の面積の４０％以上７０％以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
- 上面視において、前記ｎ側コンタクト面で囲まれた領域に、前記ｎ側コンタクト面よりも突出した前記半導体積層体の一部が設けられ、
前記第１の絶縁膜は、前記半導体積層体の前記一部の上面および側面を覆う請求項１記載の発光素子。 - 前記第１の絶縁膜と、前記半導体積層体の前記一部との間に設けられた反射膜をさらに備えた請求項５記載の発光素子。
- 前記ｐ側電極の上に設けられた第２の絶縁膜をさらに備え、
前記ｎ側電極は、前記第２の絶縁膜上に設けられ、前記ｎコンタクト部とつながった外部接続部を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の発光素子。 - 前記第２の絶縁膜は、前記ｐ型半導体層の側面、前記発光層の側面、前記ｎ型半導体層の側面、および前記ｎ側コンタクト面における外周領域にも設けられた請求項７記載の発光素子。
- 前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜は、同種材料の膜である請求項７または８に記載の発光素子。
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