JP2022172792A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施の形態について、図1乃至図3を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。また、各図面における各構成要素の寸法比は、必ずしも実際の窒化物半導体発光素子の寸法比と一致するものではない。
図1は、本形態における窒化物半導体発光素子1の構成を概略的に示す模式図である。窒化物半導体発光素子1(以下、単に「発光素子1」ともいう。)は、例えば発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)又は半導体レーザ(LD:Laser Diode)を構成するものとすることができる。本形態において、発光素子1は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)である。特に、本形態の発光素子1は、中心波長が200nm以上365nm以下の深紫外光を発する。本形態の発光素子1は、例えば殺菌(例えば空気浄化、浄水等)、医療(例えば光線治療、計測・分析等)、UVキュアリング等の分野において用いることができる。
基板2は、活性層4が発する光(本形態においては深紫外光)を透過する材料からなる。基板2は、例えばサファイア(Al2O3)基板である。基板2の成長面(すなわち基板2の上面)は、c面である。なお、基板2の成長面は、基板2のc面との間にオフ角度を有していてもよい。なお、基板2として、例えば窒化アルミニウム(AlN)基板又は窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)基板等を用いてもよい。ここで、「AlGaN」は、III族元素の組成(すなわちアルミニウム(Al)及びガリウム(Ga)の合計の組成)と窒素(N)の組成との比が1:1であり、アルミニウムの組成比とガリウムの組成比とを任意とした3元混晶である。
第1半導体層3は、基板2と活性層4との間に形成された半導体層である。本形態において、第1半導体層3は、バッファ層31とn型クラッド層32とを有する。
活性層4は、n型クラッド層32上に形成されている。活性層4は、障壁層41と井戸層42とが交互に積層され、井戸層42を複数備えた多重量子井戸構造を有する。本形態において、活性層4は、障壁層41と井戸層42とをそれぞれ3つずつ有し、下端に障壁層41が位置し、上端に井戸層42が位置する。各障壁層41は、AlrGa1-rN(0<r≦1)からなる。各井戸層42は、AlsGa1-sN(0≦s<1)からなる。各障壁層41のAl組成比rは、各井戸層42のAl組成比sよりも大きい(すなわちr>sを満たす)。
第2半導体層5は、活性層4の上端井戸層421の上側において上端井戸層421に接するよう形成されている。第2半導体層5は、p型半導体層(本形態においては、後述の第2電子ブロック層512、p型クラッド層52、及びp型コンタクト層53)を少なくとも含む層である。第2半導体層5の全体は、活性層4が発する深紫外光の中心波長において50%以上の透過率を有することが好ましい。本形態において、第2半導体層5は、電子ブロック層51、p型クラッド層52及びp型コンタクト層53を下側から順に積層した積層構造を有する。
p側反射電極7は、p型コンタクト層53上に形成されている。p側反射電極7は、活性層4から発される深紫外光を反射する反射電極である。p側反射電極7は、活性層4が発する光の中心波長において50%以上、好ましくは60%以上の反射率を有する。p側反射電極7は、ロジウム(Rh)を含む金属であることが好ましい。ロジウムを含む金属は、深紫外光に対する反射率が高く、かつ、p型コンタクト層53との接合性も高い。本形態においては、p側反射電極7は、ロジウムの単膜からなる。活性層4から上側に発された光は、p側反射電極7と第2半導体層5との界面において反射される。
n側電極6は、n型クラッド層32上に形成されている。n側電極6は、活性層4が発する深紫外光の中心波長において50%以上の反射率を有することが好ましい。n側電極6は、例えば、n型クラッド層32の上にチタン(Ti)、アルミニウム、チタン、金(Au)が順に積層された多層膜で形成することができる。n側電極6を、活性層4から発される光を反射しやすい電極によって構成することにより、発光素子1の発光出力を向上させることができる。例えば、上下方向に対して傾斜する方向に進んだ深紫外光は、基板2の下端部と空気層等との間において反射することがあるが、かかる反射光がn側電極6において再度反射されることで、基板2から取り出される光をより多くすることが可能となる。なお、n側電極6はこれに限られず、活性層4が発する深紫外光の中心波長において50%未満の反射率を有していてもよい。
活性層4から発せられた光のうち、活性層4から下側に発されて直接的に基板2から取り出される光を直接出射光EL1と呼び、活性層4から上側に発されてp側反射電極7において反射された後に基板2から取り出される光を反射出射光EL2と呼ぶこととする。図1において、直接出射光EL1と反射出射光EL2のそれぞれの一例を、矢印にて模式的に表している。なお、実際、活性層4からは、あらゆる方向に深紫外光が発されるものの、図1においては、活性層4から真下に発された直接出射光EL1と、活性層4から真上に発された反射出射光EL2とを模式的に表している。また、前述のごとく、活性層4の3つの井戸層42のうち、上端井戸層421が最も強く発光するため、図1においては、便宜上、直接出射光EL1及び反射出射光EL2のそれぞれの発生源を上端井戸層421として図示している。
本実験例は、発光素子1において、第2半導体層5の光学膜厚を種々変更した試料1~試料18につき、初期発光出力及び残存発光出力を実験により評価した例である。
本実験例は、実験例1の試料1~試料18のそれぞれについて、順方向電圧を測定した例である。結果を図3に示す。図3から分かるように、第2半導体層5の光学膜厚Lが小さくなるほど、順方向電圧は小さくなることが分かる。本実験例の結果及び実施例1の図2の結果を考慮すると、第2半導体層5の光学膜厚Lを、第1膜厚範囲R1とすることにより、初期発光出力及び残存発光出力を確保しつつ、順方向電圧を低減することができることが分かる。
本形態の窒化物半導体発光素子1においては、第2半導体層5上に接するようp側反射電極7が設けられている。かかる構成において、第2半導体層5の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、活性層4から発される光の中心波長を波長λ[nm]とし、1及び2のうちの任意の数値を値mとしたとき、0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たす。この不等式は、0.48λ以上0.75λ以下の比較的広い光学膜厚Lの範囲である第1膜厚範囲R1と、0.96λ以上1.20λ以下の比較的狭い光学膜厚Lの範囲である第2膜厚範囲R2とを表す不等式である。この不等式を満たすことにより、図2の丸プロット及び菱形プロットにて示すごとく、高い初期発光出力及び残存発光出力が得られる。これは、第2半導体層5が、前述の不等式の関係を満たすことにより、反射出射光EL2と直接出射光EL1とが互いに強め合うよう干渉するようになるためである。
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力を向上させることができる。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の初期発光出力を向上させることができる。また、窒化物半導体発光素子(1)の生産性を向上させることができる。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の初期発光出力を一層向上させることができる。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力が経時的に劣化することを抑制することができる。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の初期発光出力を向上させることができる。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力を向上させることができる。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力を向上させることができる。
これにより、窒化物半導体発光素子(1)の発光出力を向上させることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
2…基板
3…第1半導体層
4…活性層
5…第2半導体層
521…第1p型クラッド層
522…第2p型クラッド層
53…p側コンタクト層
7…p側反射電極(反射電極)
Claims (8)
- 第1半導体層と、
前記第1半導体層の一方側に設けられた活性層と、
前記活性層の前記第1半導体層と反対側において前記活性層と接するよう設けられた第2半導体層と、
前記第2半導体層の前記活性層と反対側において前記第2半導体層と接するよう設けられ、前記活性層から発される光を反射する反射電極と、を備え、
前記第2半導体層の光学膜厚を光学膜厚L[nm]とし、前記活性層から発される光の中心波長を波長λ[nm]とし、1及び2のうちの任意の数値を値mとしたとき、0.48mλ≦L≦0.5mλ+(-0.05m+0.3)λの関係を満たす、
窒化物半導体発光素子。 - 前記値mは、1である、
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記光学膜厚Lは、0.55λ以上0.70λ以下である、
請求項2に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記値mは、2である、
請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記光学膜厚Lは、1.02λ以上1.15λ以下である、
請求項4に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第2半導体層は、p型のGaNによって形成されるとともに前記反射電極と接するp型コンタクト層を含み、
前記p型コンタクト層の厚みは、30nm以下である、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第2半導体層は、前記中心波長において、透過率が50%以上である、
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。 - 前記第2半導体層は、前記活性層側から順に、第1p型クラッド層、第2p型クラッド層、及びp型コンタクト層を有し、
前記第2p型クラッド層は、前記p型コンタクト層に近い位置程、Al組成比が高くなるよう構成されている、
請求項1乃至7のいずれか1項に記載の窒化物半導体発光素子。
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