JP2907170B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光出力の増大を高水準
に達成することができる半導体発光素子に関する。
に達成することができる半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】図１に
示すようにＰ型半導体領域１とＮ型半導体領域２とを備
え、両半導体領域１、２の界面に形成されるＰＮ接合３
を含む例えばＡ１ＧａＡｓ半導体基体４の側面に傾斜面
５を設けたいわゆるメサ構造の半導体発光素子即ち発光
ダイオードは公知である。この半導体発光素子におい
て、半導体基体４の上面（一方の主面）即ちＰ型半導体
領域１の上面の一部にアノード電極６が形成され、半導
体基体４の下面（他方の主面）即ちＮ型半導体領域２の
下面に部分的にカソード電極７が格子状又は点在するよ
うに形成されている。なお、半導体基体４の露出表面は
実質的に鏡面になっており、またＰＮ接合３は傾斜面５
に露出している。図１の半導体発光素子の光取り出し方
向は上方向であり、ＰＮ接合３から上方に放射された光
は、基体４の上面のアノード電極６が形成されていない
領域から取り出される。また、ＰＮ接合３から下方に放
射された光は基体４の下面で反射されて上方に向かう。
図１のメサ構造の発光素子の傾斜面５は、ダイス型の発
光素子の垂直な側面に比べてＰＮ接合３から放射された
光に対する全反射の確率を減少させる働きを有する。従
って、図１の発光素子においては、ＰＮ接合３から放射
された光の一部が傾斜面５を通り抜けて外部に取り出さ
れ、光出力の増大を図ることができる。
示すようにＰ型半導体領域１とＮ型半導体領域２とを備
え、両半導体領域１、２の界面に形成されるＰＮ接合３
を含む例えばＡ１ＧａＡｓ半導体基体４の側面に傾斜面
５を設けたいわゆるメサ構造の半導体発光素子即ち発光
ダイオードは公知である。この半導体発光素子におい
て、半導体基体４の上面（一方の主面）即ちＰ型半導体
領域１の上面の一部にアノード電極６が形成され、半導
体基体４の下面（他方の主面）即ちＮ型半導体領域２の
下面に部分的にカソード電極７が格子状又は点在するよ
うに形成されている。なお、半導体基体４の露出表面は
実質的に鏡面になっており、またＰＮ接合３は傾斜面５
に露出している。図１の半導体発光素子の光取り出し方
向は上方向であり、ＰＮ接合３から上方に放射された光
は、基体４の上面のアノード電極６が形成されていない
領域から取り出される。また、ＰＮ接合３から下方に放
射された光は基体４の下面で反射されて上方に向かう。
図１のメサ構造の発光素子の傾斜面５は、ダイス型の発
光素子の垂直な側面に比べてＰＮ接合３から放射された
光に対する全反射の確率を減少させる働きを有する。従
って、図１の発光素子においては、ＰＮ接合３から放射
された光の一部が傾斜面５を通り抜けて外部に取り出さ
れ、光出力の増大を図ることができる。
【０００３】しかしながら、図１のメサ構造の発光素子
であっても十分なレベルの光出力を得ることができない
のが実情である。そこで、光出力の増大を目的として図
２の半導体発光素子が提案されている。図２の半導体発
光素子はＰ型半導体領域１の上面が粗面８とされている
点で図１と異なり、その他は図１と同一に構成されてい
る。上面の粗面８はＰＮ接合３から放射された光の上面
での全反射を防いで上方に向う光を効率良く取り出すた
めのものでる。図１及び図２の半導体基体４の下面にお
いてカソード電極７が部分的に形成されているのは、Ｎ
型半導体領域２とカソード電極７との界面にはＰＮ接合
３から放射された光を吸収し易い合金層が形成されるた
め、合金層の形成領域を少なくするためである。又、Ｎ
型半導体領域２の電極７からの露出部分を鏡面９とした
のは、ＰＮ接合３からＮ型半導体領域２の下面側に放射
された光がこの鏡面によって上方即ちＰ型半導体領域１
の上面に向って反射し、光出力の増大が図れると考えら
れた為である。図２のようにすると、図１の半導体発光
素子よりも光出力の増大を図ることができる。しかし、
電極７を設けない部分における上方向への反射光を増大
させるためには特別に反射層を設けることが必要にな
り、コストの上昇を招く。また下面側に反射層を設けな
い場合には十分な光出力の増大を図ることができなかっ
た。
であっても十分なレベルの光出力を得ることができない
のが実情である。そこで、光出力の増大を目的として図
２の半導体発光素子が提案されている。図２の半導体発
光素子はＰ型半導体領域１の上面が粗面８とされている
点で図１と異なり、その他は図１と同一に構成されてい
る。上面の粗面８はＰＮ接合３から放射された光の上面
での全反射を防いで上方に向う光を効率良く取り出すた
めのものでる。図１及び図２の半導体基体４の下面にお
いてカソード電極７が部分的に形成されているのは、Ｎ
型半導体領域２とカソード電極７との界面にはＰＮ接合
３から放射された光を吸収し易い合金層が形成されるた
め、合金層の形成領域を少なくするためである。又、Ｎ
型半導体領域２の電極７からの露出部分を鏡面９とした
のは、ＰＮ接合３からＮ型半導体領域２の下面側に放射
された光がこの鏡面によって上方即ちＰ型半導体領域１
の上面に向って反射し、光出力の増大が図れると考えら
れた為である。図２のようにすると、図１の半導体発光
素子よりも光出力の増大を図ることができる。しかし、
電極７を設けない部分における上方向への反射光を増大
させるためには特別に反射層を設けることが必要にな
り、コストの上昇を招く。また下面側に反射層を設けな
い場合には十分な光出力の増大を図ることができなかっ
た。
【０００４】そこで、本発明は比較的簡単な構成で光出
力を更に増大することができる半導体発光素子を提供す
ることを目的とする。
力を更に増大することができる半導体発光素子を提供す
ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、上記
目的を達成するための本発明は、第１導電型の第１の半
導体領域と前記第１導電型と反対の第２導電型の第２の
半導体領域とがＰＮ接合を形成するように配置された半
導体基体と、前記半導体基体の一方の主面の一部におい
て前記第１の半導体領域に接続された第１の電極と、前
記半導体基体の他方の主面の一部において前記第２の半
導体領域に接続された第２の電極とを備え、前記一方の
主面側に光を取り出すように構成された半導体発光素子
において、前記他方の主面の全部又は前記第２の電極が
形成されていない部分に光反射領域が設けられ、前記光
反射領域は前記半導体基体の他方の主面から一方の主面
の方向に窪んだ第１の径の曲面の中に前記第１の径より
も小さい第２の径の微小曲面を多数設けたものであり、
前記半導体基体の内部から前記他方の主面に入射した光
の反射量が前記他方の主面の全部が実質的に平坦な鏡面
の場合における光の反射量よりも多くなるように前記光
反射領域が形成されていることを特徴とする半導体発光
素子に係わるものである。なお、請求項２に示すように
半導体基体の一方の主面に光の透過量を増大させるよう
に粗面から成る光導出領域を設けることが望ましい。
目的を達成するための本発明は、第１導電型の第１の半
導体領域と前記第１導電型と反対の第２導電型の第２の
半導体領域とがＰＮ接合を形成するように配置された半
導体基体と、前記半導体基体の一方の主面の一部におい
て前記第１の半導体領域に接続された第１の電極と、前
記半導体基体の他方の主面の一部において前記第２の半
導体領域に接続された第２の電極とを備え、前記一方の
主面側に光を取り出すように構成された半導体発光素子
において、前記他方の主面の全部又は前記第２の電極が
形成されていない部分に光反射領域が設けられ、前記光
反射領域は前記半導体基体の他方の主面から一方の主面
の方向に窪んだ第１の径の曲面の中に前記第１の径より
も小さい第２の径の微小曲面を多数設けたものであり、
前記半導体基体の内部から前記他方の主面に入射した光
の反射量が前記他方の主面の全部が実質的に平坦な鏡面
の場合における光の反射量よりも多くなるように前記光
反射領域が形成されていることを特徴とする半導体発光
素子に係わるものである。なお、請求項２に示すように
半導体基体の一方の主面に光の透過量を増大させるよう
に粗面から成る光導出領域を設けることが望ましい。
【０００６】
【発明の作用及び効果】各請求項の発明によれば、半導
体基体の他方の主面に第１の径の曲面の中にこれよりも
小さい第２の径の微少曲面を多数設けるという比較的簡
単な構成によって一方の主面からの光の取り出し量の増
大を図ることができる。
体基体の他方の主面に第１の径の曲面の中にこれよりも
小さい第２の径の微少曲面を多数設けるという比較的簡
単な構成によって一方の主面からの光の取り出し量の増
大を図ることができる。
【０００７】
【実施例】次に、図３〜図６を参照して本発明の実施例
に係わる半導体発光素子即ち発光ダイオードを説明す
る。この発光素子は、第１の半導体領域としてのＰ型
（第１導電型）半導体領域１１と、第２の半導体領域と
してのＮ型（第２導電型）半導体領域１２とから成る例
えばＡｌＧａＡｓ半導体基体１３を備えている。半導体
基体１３の上面（一方の主面）１４即ちＰ型半導体領域
１１の上面の中央に第１の電極としてのアノード電極１
５が形成され、半導体基体１３の下面（他方の主面）１
６即ちＮ型半導体領域１２の下面に第２の電極としての
カソード電極１７が格子状又は点在するように形成され
ている。
に係わる半導体発光素子即ち発光ダイオードを説明す
る。この発光素子は、第１の半導体領域としてのＰ型
（第１導電型）半導体領域１１と、第２の半導体領域と
してのＮ型（第２導電型）半導体領域１２とから成る例
えばＡｌＧａＡｓ半導体基体１３を備えている。半導体
基体１３の上面（一方の主面）１４即ちＰ型半導体領域
１１の上面の中央に第１の電極としてのアノード電極１
５が形成され、半導体基体１３の下面（他方の主面）１
６即ちＮ型半導体領域１２の下面に第２の電極としての
カソード電極１７が格子状又は点在するように形成され
ている。
【０００８】ＰＮ接合１８は半導体基体１３の上面１４
及び下面１６に対して平行に形成されているので、この
端は側面に露出している。また、ＰＮ接合１８を含む発
光素子の側面には、図１及び図２の発光素子と同様にＰ
Ｎ接合１８から放射された光に対する全反射の確率を減
少させ、上方への光の取り出し量の増大を図る為の傾斜
面１９が設けられている。
及び下面１６に対して平行に形成されているので、この
端は側面に露出している。また、ＰＮ接合１８を含む発
光素子の側面には、図１及び図２の発光素子と同様にＰ
Ｎ接合１８から放射された光に対する全反射の確率を減
少させ、上方への光の取り出し量の増大を図る為の傾斜
面１９が設けられている。
【０００９】図４の発光素子は、Ｐ型半導体領域１１の
上面１４に粗面から成る光導出領域１４ａを有し、Ｎ型
半導体領域１２の下面１６に多数の微少曲面が集合して
成る光反射領域１６ａを有し、更に傾斜面１９にも粗面
から成る光導出領域１９ａを有する。
上面１４に粗面から成る光導出領域１４ａを有し、Ｎ型
半導体領域１２の下面１６に多数の微少曲面が集合して
成る光反射領域１６ａを有し、更に傾斜面１９にも粗面
から成る光導出領域１９ａを有する。
【００１０】図５に概念的に示すように、Ｐ型半導体領
域１１の上面１４の光導出領域１４ａは、ＰＮ接合１８
に平行な仮想平面に対する傾斜角θ１が比較的大きい凹
凸が集合してなる粗面によって構成されている。一方、
図６に概念的に示すように、Ｎ型半導体領域１２の下面
１６の光反射領域１６ａは、Ｐ型半導体領域１１の上面
１４の方向に窪んだ曲面が集合して成る面で構成されて
いる。
域１１の上面１４の光導出領域１４ａは、ＰＮ接合１８
に平行な仮想平面に対する傾斜角θ１が比較的大きい凹
凸が集合してなる粗面によって構成されている。一方、
図６に概念的に示すように、Ｎ型半導体領域１２の下面
１６の光反射領域１６ａは、Ｐ型半導体領域１１の上面
１４の方向に窪んだ曲面が集合して成る面で構成されて
いる。
【００１１】図３及び図４に示す形状の発光素子を形成
するときには、１枚の半導体ウエハに複数の発光素子を
配列して設け、ウエハ上面及び下面に電極１５、１７を
形成する。次に、アノード電極１５のエッチングを防ぐ
ようにこれを覆うマスクを設け、電極１５の間から露出
したＰ型半導体領域１１の主面を選択的にエッチングす
る。この実施例では、硝酸：硫酸＝９５：５の混合液を
エッチング液として使用してＰ型半導体領域１１の主面
にエッチングを施した。この結果、Ｐ型半導体領域１１
の主面に図５に原理的に示すような凹凸を有する粗面か
ら成る光導出領域１４ａが形成された。
するときには、１枚の半導体ウエハに複数の発光素子を
配列して設け、ウエハ上面及び下面に電極１５、１７を
形成する。次に、アノード電極１５のエッチングを防ぐ
ようにこれを覆うマスクを設け、電極１５の間から露出
したＰ型半導体領域１１の主面を選択的にエッチングす
る。この実施例では、硝酸：硫酸＝９５：５の混合液を
エッチング液として使用してＰ型半導体領域１１の主面
にエッチングを施した。この結果、Ｐ型半導体領域１１
の主面に図５に原理的に示すような凹凸を有する粗面か
ら成る光導出領域１４ａが形成された。
【００１２】次に、図６で点線で示すように比較的大き
い第１の径の曲面を半導体基体１３の下面１６から上面
１４の方向に窪んだ状態を形成し、次に、電極１７の主
面にマスクを設けてこの部分のエッチングを防止した状
態で電極１７の間から露出したＮ型半導体領域１２の主
面を選択的にエッチングする。この実施例では、硝酸：
水＝９０：１０の混合液をエッチング液としてＮ型半導
体領域１２の主面にエッチングを施した。この結果、Ｎ
型半導体領域１２の主面に図６に原理的に示すように点
線で示す第１の径の曲面の中にこれよりも小さい第２の
径の多数の微少な曲面が形成され、光反射領域１−６ａ
が得られた。
い第１の径の曲面を半導体基体１３の下面１６から上面
１４の方向に窪んだ状態を形成し、次に、電極１７の主
面にマスクを設けてこの部分のエッチングを防止した状
態で電極１７の間から露出したＮ型半導体領域１２の主
面を選択的にエッチングする。この実施例では、硝酸：
水＝９０：１０の混合液をエッチング液としてＮ型半導
体領域１２の主面にエッチングを施した。この結果、Ｎ
型半導体領域１２の主面に図６に原理的に示すように点
線で示す第１の径の曲面の中にこれよりも小さい第２の
径の多数の微少な曲面が形成され、光反射領域１−６ａ
が得られた。
【００１３】次に、各発光素子の周辺に相当する領域の
上面に開口を有するマスクを設け、この開口を介してウ
エハをエッチングして、複数の発光素子の境界に傾斜溝
を形成する。この実施例では、硫酸：過酸化水素：水＝
１：１：１の混合液をエッチング液として傾斜溝を形成
した。この結果、図４に示す粗面から成る光導出領域１
９ａを有する傾斜部１９が形成された。最後に傾斜溝の
底部でウエハをブレーキングすることによって、図３及
び図４に示すような半導体発光素子が得られる。
上面に開口を有するマスクを設け、この開口を介してウ
エハをエッチングして、複数の発光素子の境界に傾斜溝
を形成する。この実施例では、硫酸：過酸化水素：水＝
１：１：１の混合液をエッチング液として傾斜溝を形成
した。この結果、図４に示す粗面から成る光導出領域１
９ａを有する傾斜部１９が形成された。最後に傾斜溝の
底部でウエハをブレーキングすることによって、図３及
び図４に示すような半導体発光素子が得られる。
【００１４】図３及び図４に示す半導体発光素子におい
ては、上面１４に粗面から成る光導出領域１４ａが形成
され、下面１６に微少曲面が集合して成る光反射領域１
６ａが形成されている。従って、ＰＮ接合１８から上方
に向って放射された光、又は下面で反射して上方に向う
光を、図２に示す発光素子と同様に素子外部に良好に取
り出すことができる。一方、下面１６は微少の曲面が形
成されており、実質的に反射面として機能する鏡面の面
積が増加したとみなせるのでＰＮ接合から下方に向って
放射された光に対する反射量は下面の全体が平坦な鏡面
の場合の反射量よりも多くなる。従って、半導体基体１
３の上面と下面との両方で光出力増大作用が生じ、光出
力の増大を図ることができる。半導体基体１３の下面１
６に光反射領域１６ａを設けることによる光出力増大効
果を確認するために、カソード電極１７及び光反射領域
１６ａを導電性接着剤で電気回路に接続し、また、アノ
ード電極１５にワイヤを接続し、発光ダイオードを駆動
して上方における光度を測定した。また、比較のために
図４の第２の光反射領域１６ａを平坦な鏡面とした他は
図４と同一に構成した発光ダイオードを用意し、図４の
発光ダイオードと同様な方法で駆動して上方における光
度を測定した。この結果、実施例の発光ダイオードの光
度が比較例のものの光度よりも２０％大きかった。
ては、上面１４に粗面から成る光導出領域１４ａが形成
され、下面１６に微少曲面が集合して成る光反射領域１
６ａが形成されている。従って、ＰＮ接合１８から上方
に向って放射された光、又は下面で反射して上方に向う
光を、図２に示す発光素子と同様に素子外部に良好に取
り出すことができる。一方、下面１６は微少の曲面が形
成されており、実質的に反射面として機能する鏡面の面
積が増加したとみなせるのでＰＮ接合から下方に向って
放射された光に対する反射量は下面の全体が平坦な鏡面
の場合の反射量よりも多くなる。従って、半導体基体１
３の上面と下面との両方で光出力増大作用が生じ、光出
力の増大を図ることができる。半導体基体１３の下面１
６に光反射領域１６ａを設けることによる光出力増大効
果を確認するために、カソード電極１７及び光反射領域
１６ａを導電性接着剤で電気回路に接続し、また、アノ
ード電極１５にワイヤを接続し、発光ダイオードを駆動
して上方における光度を測定した。また、比較のために
図４の第２の光反射領域１６ａを平坦な鏡面とした他は
図４と同一に構成した発光ダイオードを用意し、図４の
発光ダイオードと同様な方法で駆動して上方における光
度を測定した。この結果、実施例の発光ダイオードの光
度が比較例のものの光度よりも２０％大きかった。
【００１５】なお、実施例では、傾斜面１９も上面の光
導出領域１４ａと同様に光の全反射を抑制する粗面から
成る光導出領域１９ａとなっているので、傾斜面１９か
らも光を素子外部に良好に取り出すことができる。この
ため、光出力の増大効果が更に向上している。
導出領域１４ａと同様に光の全反射を抑制する粗面から
成る光導出領域１９ａとなっているので、傾斜面１９か
らも光を素子外部に良好に取り出すことができる。この
ため、光出力の増大効果が更に向上している。
【００１６】
【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 半導体基体１３をＡｌＧａＡｓ以外の例えばＧ
ａＡｓ等の種々の半導体とすることができる。また、Ｐ
型半導体領域１１とＮ型半導体領域１２とを異なる半導
体にすることができる。 （２） Ｎ型半導体領域１２をＮ型又はＮ＋型半導体領
域とこの上にエピタキシャル成長させたＮ型半導体領域
との組み合せにすることができる。また、Ｐ型半導体領
域１１も複数の半導体領域の組み合せとすることができ
る。 （３） 基体１３の下面１６に光の反射を助ける層を設
けることができる。 （４） Ｎ型半導体領域１２の傾斜面１９を特別に粗面
としない構成にすることもできる。 （５） 上面１４及び下面１６の電極１５及び１７の下
の部分もそれぞれ粗面又は微少曲面とすることができ
る。 （６） 実施例の光反射領域１６ａは微小の曲面を点在
させた平面パターンを有するが、この代りに微小の凸曲
面がストライプ状又は放射状に延びる平面パターンとす
ることができる。
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 半導体基体１３をＡｌＧａＡｓ以外の例えばＧ
ａＡｓ等の種々の半導体とすることができる。また、Ｐ
型半導体領域１１とＮ型半導体領域１２とを異なる半導
体にすることができる。 （２） Ｎ型半導体領域１２をＮ型又はＮ＋型半導体領
域とこの上にエピタキシャル成長させたＮ型半導体領域
との組み合せにすることができる。また、Ｐ型半導体領
域１１も複数の半導体領域の組み合せとすることができ
る。 （３） 基体１３の下面１６に光の反射を助ける層を設
けることができる。 （４） Ｎ型半導体領域１２の傾斜面１９を特別に粗面
としない構成にすることもできる。 （５） 上面１４及び下面１６の電極１５及び１７の下
の部分もそれぞれ粗面又は微少曲面とすることができ
る。 （６） 実施例の光反射領域１６ａは微小の曲面を点在
させた平面パターンを有するが、この代りに微小の凸曲
面がストライプ状又は放射状に延びる平面パターンとす
ることができる。
【図１】従来の発光素子を示す断面図である。
【図２】別の従来の発光素子を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例の発光素子の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図４の上面粗面化領域の一部を拡大して原理的
に示す断面図である。
に示す断面図である。
【図６】図４の下面粗面化領域の一部を拡大して原理的
に示す断面図である。
に示す断面図である。
１１ Ｐ型半導体領域 １２ Ｎ型半導体領域 １４ａ 光導出領域 １６ａ 光反射領域
Claims (2)
- 【請求項１】 第１導電型の第１の半導体領域と前記第
１導電型と反対の第２導電型の第２の半導体領域とがＰ
Ｎ接合を形成するように配置された半導体基体と、 前記半導体基体の一方の主面の一部において前記第１の
半導体領域に接続された第１の電極と、 前記半導体基体の他方の主面の一部において前記第２の
半導体領域に接続された第２の電極とを備え、前記一方
の主面側に光を取り出すように構成された半導体発光素
子において、 前記他方の主面の全部又は前記第２の電極が形成されて
いない部分に光反射領域が設けられ、前記光反射領域は前記半導体基体の他方の主面から一方
の主面の方向に窪んだ第１の径の曲面の中に前記第１の
径よりも小さい第２の径の微小曲面を多数設けたもので
あり、 前記半導体基体の内部から前記他方の主面に入射した光
の反射量が前記他方の主面の全部が実質的に平坦な鏡面
の場合における光の反射量よりも多くなるように前記光
反射領域が形成されていることを特徴とする半導体発光
素子。 - 【請求項２】 第１導電型の第１の半導体領域と前記第
１導電型と反対の第２導電型の第２の半導体領域とがＰ
Ｎ接合を形成するように配置された半導体基体と、 前記半導体基体の一方の主面の一部において前記第１の
半導体領域に接続された第１の電極と、 前記半導体基体の他方の主面の一部において前記第２の
半導体領域に接続された第２の電極とを備え、前記一方
の主面側に光を取り出すように構成された半導体発光素
子において、 前記一方の主面の全部又は前記第１の電極が形成されて
いない部分に粗面から成る光導出領域が設けられ、 前記他方の主面の全部又は前記第２の電極が形成されて
いない部分に光反射領域が設けられ、前記光反射領域は前記半導体基体の他方の主面から一方
の主面の方向に窪んだ第１の径の曲面の中に前記第１の
径よりも小さい第２の径の微小曲面を多数設けたもので
あり、 前記半導体基体の内部から前記一方の主面に入射した光
の透過量が前記一方の主面の全部が実質的に平坦な鏡面
の場合における光の透過量よりも多くなるように前記光
導出領域の粗面が形成され、 前記半導体基体の内部から前記他方の主面に入射した光
の反射量が前記他方の主面の全部が実質的に平坦な鏡面
の場合における光の反射量よりも多くなるように前記光
反射領域が形成されていることを特徴とする半導体発光
素子。
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