JP2019208070A - 半導体発光素子 - Google Patents
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第1導電型の第1半導体層と、第2導電型の第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層の間に形成された発光領域と、前記第1半導体層に接続された第1電極と、前記第2半導体層に接続された第2電極とを含む半導体発光素子であって、
前記第2電極は、
透光性を有し、前記第2半導体層と接触する接続電極と、
透光性を有し、前記接続電極と接触する半導体層からなる半導体電極と、を有する。
N=n−ik・・・(1)
ここで、iは虚数であり、言うまでもなくi2=―1である。
また、屈折率実数部nは、通常単に屈折率と称され、屈折率虚数部kは光の吸収と関係する値であり、吸収係数αと次の式(2)で与えられる関係がある。
α=4πk/λ・・・(2)
ここで、αとは入射光の強度を1/eの強度に減ずる伝播距離の逆数であり、λは光の波長である。
また、吸収係数αである膜中を距離d進んだときの透過率Tは、次の式(3)で与えられる。
T=exp(-αd)・・・(3)
また、ITO等の従来から使用されている透明電極のみを電極として用いるのではなく半導体電極を採用することにより、従来と同等の抵抗でかつ従来より光の吸収が極めて小さい透光性電極が実現できる。
本発明は、以上説明したような理論的な考察を経てなされたものである。
以下、本発明に係る実施形態の半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。
本発明に係る実施形態1の半導体発光素子は、n型の窒化物半導体からなる半導体電極を備え、半導体電極を介して光が出射される半導体発光素子である。
具体的には、実施形態1の半導体発光素子は、図1に示すように、
例えば、サファイアからなる基板1と、
例えば、n型窒化物半導体からなり、基板1上に設けられた第1導電型半導体層3と、
例えば、Inを含む窒化物半導体からなり、第1導電型半導体層3の上に設けられた発光層5と、
例えば、p型窒化物半導体からなり、発光層5の上に設けられた第2導電型半導体層7と、
第1導電型半導体層3に接続された第1電極(第1パッド電極)41と第2導電型半導体層7に接続された第2電極43と、を有する。
さらに、第2電極43は、
例えば、ITOからなり、第2導電型半導体層7の上面のほぼ全面に設けられた接続電極11と、
例えば、n型GaNからなる半導体電極23と、
半導体電極23の上面に一部に設けられた第2パッド電極33と、を備える。
実施形態1での接続電極11は、第1オーミック電極9と第2オーミック電極29の接合体により構成されている。
第1導電型半導体層3:n−GaN、
発光層5:InGaN,InAlGaN、
第2導電型半導体層7:p−GaN、
第1オーミック電極9:ITO,Ag,Ti,Niの少なくとも1つ
第2オーミック電極29:ITO,Ag,Ti,Alの少なくとも1つ
半導体電極23:n−GaN,n−AlGaNの少なくとも1つ
第1パッド電極41及び第2パッド電極33:Ti/Al/Ti/Pt/Au(TiとAlとTiとPtとAuの積層体)
また、第2オーミック電極29として例示した、ITO,Ag,Ti,Alは、半導体電極23を例えば、n−GaN又はn−AlGaN等のn型窒化物半導体層により形成したときに、n型窒化物半導体層と、例えばオーミック接触等により低い接触抵抗で接続することが可能である。
したがって、実施形態1の半導体発光素子において、透光性を有しかつ電流拡散を担う半導体電極23を備えることにより、光の吸収が実質的になく抵抗率の低い電極構造が実現でき、光取り出し効率が高く、発光効率が高く、駆動電圧の低い半導体発光素子を提供することが可能になる。
実施形態1の半導体発光素子の製造方法は、半導体電極形成プロセスと、半導体積層構造形成プロセスと、電極構造形成プロセスとを含む。半導体電極形成プロセスと半導体積層構造形成プロセスとは並行して行うことができ、電極構造形成プロセスは、半導体電極形成プロセス及び半導体積層構造形成プロセスの後に行われる。
本製造方法では、図2Aに示すように、まず、例えば、サファイアからなる成長基板21の上に例えばバッファ層を介して、例えば、n型GaN等の窒化物半導体からなる半導体電極23を成長させる。
この半導体電極23を介して光を出射する実施形態1に係る半導体発光素子では、半導体電極23を構成する半導体材料としては、発光層を構成する半導体材料より大きなバンドギャップを有している半導体材料が選択される。なお、発光層として井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構造を適用する場合は、井戸層よりもバンドギャップが大きな半導体材料が選択される。また、不純物の添加により低い抵抗値が実現できる半導体材料が選択される。例えば、窒化物半導体発光素子では、活性層としてInを含む窒化物半導体を用いる場合には、不純物としてSi又はGe等を添加したn型GaN、n型AlGaNを半導体電極23を構成する半導体材料として選択できる。n型GaNの場合、不純物濃度は、結晶が悪くなりすぎない程度に高くするのが好ましく、例えば、1×1018/cm3以上1×1019/cm3以下とすることができる。また、n型AlGaNの場合、不純物濃度は、例えば、1×1018/cm3以上1×1019/cm3以下とすることができる。n型GaNは、結晶性良く厚い膜厚に成長させることができることから、例えば、青色等の可視光を発光する窒化物半導体発光素子を構成する際に好ましい材料としてあげられる。また、n型AlGaNは、GaNよりバンドギャップが広く、Alの比率を高くすることにより、紫外線の吸収率を小さくできるので、紫外光を発光する窒化物半導体発光素子を構成する際に好ましい材料としてあげられる。n型AlGaNのAlの混晶比は、AlxGa1−xN(1>x>0)としたときに、0.02≦x≦0.1、好ましくは0.02≦x≦0.06とすることができる。
次に、レーザリフトオフ法等を用いて、図2Cに示すように、成長基板21を除去する。具体的には、成長基板21を透過し、半導体電極23を構成する半導体材料により吸収される波長のレーザ光を選択して、そのレーザ光を成長基板21側から照射して成長基板21と半導体電極23の界面近傍の温度を上昇させ接着層がアブレーション(分解)されることで成長基板21を除去する。
半導体積層構造形成プロセスでは、まず、例えば、サファイア等からなる基板1を準備する。
次に、図2Dに示すように、半導体層を成長させる基板1の表面を加工して凸部を形成する。なお、基板1の表面を加工する工程は必須の工程ではない。
この表面加工は、基板の結晶形態及び凸部が形成される基板表面の面方位、マスク形状及び寸法、エッチング条件とを目的形状に応じて設定することにより形成することができる。
さらに、図2Dに示すように、例えば、ITOからなる第1オーミック電極9を第2導電型半導体層7の上面の全面に形成する。
ここでは、半導体積層構造の第2導電型半導体層7の上面の全面に形成された第1オーミック電極9(図2E参照)と、支持基板27に支持された半導体電極23の表面に形成された第2オーミック電極29(図2C参照)とを、常温接合により接合する(図2F参照)。本実施形態では、常温接合として表面活性化接合方法を用いる。表面活性化接合方法とは、接合界面をイオンビームやプラズマなどをあてて接合界面を活性化させた後に、各部材を直接接合する方法である。表面活性化接合方法によれば、材料同士を純粋に接合することができる。本実施形態において、第1オーミック電極9及び第2オーミック電極29の接合体である接続電極11は、ITOから構成されることとなる。
さらに、原子拡散接合方法により接合する際には、第1オーミック電極9及び第2オーミック電極29は、例えば、20nm以下の厚さであってもよい。したがって、接続電極11の厚さを極めて薄くでき、接続電極11による光の吸収を抑制することができる。
原子拡散接合方法により接合する場合、第1オーミック電極9及び第2オーミック電極29の間にさらに原子拡散層を形成するようしてもよい。原子拡散層を設けると、均一性の高い接合を容易に実現できる。第1オーミック電極9と第2オーミック電極29との原子拡散層は、金属からなり、例えばAu又はTi等で構成される。このとき、原子拡散層は、光の吸収がない程度に薄い膜厚とする。原子拡散層に用いる材料により異なるが、例えばAuを用いる場合は、0.1μm〜0.4μmで形成する。
次に、第1導電型半導体層3の電極形成表面に第1電極41を形成し、半導体電極23の表面の一部に第2パッド電極33を形成する。例えば、第1電極41と第2パッド電極33は、Ti、Al、Ti、Pt及びAuの同一構成の積層体により形成することができ、一括して同時に作製してもよい。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第2導電型窒化物半導体層と半導体電極23のいずれか一方に接続電極を形成して、その接続電極と第2導電型窒化物半導体層と半導体電極23の他方と直接接合するようにしてもよい(図3参照)。
また、第2導電型窒化物半導体層に接続電極を形成後、スパッタ法(例えば、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタ法)を用いて接続電極に直接半導体電極23を形成してもよい。
3 第1導電型半導体層
5 発光層
7 第2導電型半導体層
43 第2電極
9,11,29 接続電極
21 成長基板
23 半導体電極
41 第1電極(第1パッド電極)
33 第2パッド電極
Claims (9)
- 第1導電型の第1半導体層と、第2導電型の第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層の間に形成された発光領域と、前記第1半導体層に接続された第1電極と、前記第2半導体層に接続された第2電極とを含む半導体発光素子であって、
前記第2電極は、
透光性を有し、前記第2半導体層と接触する接続電極と、
透光性を有し、前記接続電極と接触する半導体層からなる半導体電極と、を有する、ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記接続電極は、Ag、Ti、Al、Ni,Au及びITOからなる群から選択された1つを含む請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記接続電極はオーミック電極であり、
前記第2半導体層とオーミック接触する第1オーミック電極と、
前記半導体電極とオーミック接触する第2オーミック電極と、
を有する請求項1又は2記載の半導体発光素子。 - 前記第1オーミック電極及び前記第2オーミック電極は、それぞれ同じ材料からなる請求項3に記載の半導体発光素子。
- 前記第1オーミック電極は、Ag、Ti、Ni及びITOからなる群から選択された1つを含む請求項2記載の半導体発光素子。
- 前記第2オーミック電極は、Ag、Ti、Al及びITOからなる群から選択された1つを含む請求項4又は5に記載の半導体発光素子。
- 前記第1半導体層、前記第2半導体層及び前記半導体電極はそれぞれ窒化物半導体からなる請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の半導体発光素子。
- 前記半導体電極は、GaN又はAlGaNからなる請求項7記載の半導体発光素子。
- 前記半導体電極は、n型不純物を含むGaNからなる請求項8に記載の半導体発光素子。
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