JP3576963B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、化合物半導体発光素子に関し、特に光の取り出し効率を向上させた半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体を用いた青色発光ダイオード（ＬＥＤ）や紫外ＬＥＤ、青〜紫色半導体レーザ（ＬＤ）が開発され、これら発光素子と蛍光体を組み合わせた白色固体発光素子は、電球や蛍光灯等の真空管式照明光源を代替する新光源として期待されている。しかし、現在でもこれらの発光素子を照明用途に使うには更に素子の高出力化を達成する必要があり、そのための研究が種々なされている。
【０００３】
ところで、上記したＧａＮ系化合物半導体は厚膜成長が基本的に難しいという特質がある。従って、一般的なＧａＮ系化合物半導体発光素子においては、ワイヤーボンディング用のパッド電極から発光層までの距離が極めて短いものとならざるを得ず、他の材料系の半導体発光素子で行われているような電流拡散層を使っての発光の均一化（発光層全面で均一に発光が起こるという意味での均一化）手段は通常採用することが出来ない。このため、オーミック電極を光が透過する程度の薄膜とする所謂透明電極とし、該透明電極を素子の（ｐ型層の）ほぼ全表面に形成し発光層全面に電流が行き渡るようにすることで均一な発光を得る等の工夫がなされている。
【０００４】
上記の透明電極の採用により、発光層全面が有効に活用され素子内部における発光量はいきおい増加することになる。また、併せて転位欠陥等を抑制することで、注入されるキャリアを高い割合でフォトンに変換させることが可能となり、その結果として内部量子効率を大幅に向上させることはできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光の取り出し効率の観点から当該素子構造をみた場合、様々な不都合が存在する。先ず、透明電極による光の吸収の問題が挙げられる。即ち、透明電極の光の透過率は５０％程度しか無く、また透明電極はほぼ全表面に形成されていることから、素子の鉛直（表面）方向から放出されるべき光の取り出し効率を悪化させる要因となっている。ところがこの問題は、透明電極によるキャリアの注入性の向上と表裏の関係にあるため、例えば透明電極の不使用等は抜本的な問題解決とはならない。
【０００６】
上述の透明電極による光吸収の問題を解決する一つのアプローチとして、フリップチップ型と呼ばれる発光素子の実装方式がある。この実装方式は、電極を形成した素子面を下側にしてマウントして光を基板側から取り出すようにすることで電極による光の吸収を回避しようとする実装方式なのであるが、サファイア基板側を球状に加工することで理論的には光取出しにも理想的な構造及び実装方式と言える。しかし、実装には相応の困難性が伴い、現状ではフリップチップ型にてリードフレームに発光素子を簡単に実装できるレベルには至っていない。
【０００７】
従って本発明は、光取出し効率を高め、外部量子効率を格段に向上させた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、絶縁性の基板上に、第一導電型の半導体層、発光層、第二導電型の半導体層からなる発光領域が少なくとも形成されている半導体発光素子において、素子周縁部のにおいて前記発光領域の端面が露出した第一の端面発光部と、それ以外の部位において、第一導電型の半導体層の途中までの深さまでのエッチング加工により形成された複数の並行配置された溝を有する櫛形の凹部に前記発光領域の端面が露出された第二端面発光部とを有し、さらに第二導電型の半導体層の上部表面は電極で実質的に覆われており、該電極の表面の一部にはワイヤーボンディング用電極が設けられているとともに、第一導電型の半導体層に対する電極が前記溝の溝底部分へ入り込むように形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明においては、半導体層及び／又は発光層がＡｌＩｎＧａＮにて構成されていることが好ましい。
【００１０】
上記した第二端面発光部の形成について、エッチング加工により露出される第二端面発光部が、素子の上面からみて素子の周縁部に開口部を持たない、或いは開口部を有する凹部に形成されるように、又はエッチング加工により露出される第二発光端面が、帯状の発光領域を形成することが好ましい。
【００１１】
また、エッチング加工により形成された凹部に、発光層からの光に透明であり発光波長での屈折率が１．３以上の物質を充填することもできる。
【００１２】
本発明の他の半導体発光素子は、基板上に、第一導電型の半導体層、発光層、第二導電型の半導体層からなる発光領域が少なくとも形成されている半導体発光素子において、前記発光領域の端面が前記発光素子の端面よりも内側において露出するようエッチング加工され、且つ該発光領域は素子の上面から見て島状又は半島状の部分を具備しており、さらに第二導電型の表面は電極で実質的に覆われており、該電極の表面の一部にはワイヤーボンディング用電極が設けられていることを特徴とするものである。
【００１３】
【作用】
本発明者らは、面発光型の発光素子においても、特に窒化物系半導体発光素子においては端面から発せられる発光成分の割合が比較的大きいことを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、請求項１記載の発明にあっては、通常の発光素子における端面発光部であるところの素子周縁部における第一の端面発光部に加え、端面以外の部位において発光領域の端面がエッチング加工により露出された第二端面発光部を形成することにより、当該第二端面発光部が通常の発光素子構造に対するプラスアルファの光取出し窓として作用することとなり、発光素子の光取り出し効率が改善され、結果とて外部量子効率を著しく向上することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の態様】
以下図面に基づいて、本発明の実施態様につき説明する。
図１は本発明の化合物半導体発光素子の一実施例を示しており、図１（ａ）は当該発光素子上から見た図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図を示している。図において、１は基板、２１は第一導電型の半導体層、２２は第二導電型の半導体層、２０は発光層である。この場合、第一・第二導電型の半導体層２１，２２及び発光層２０が発光領域２を形成する層であるが、本実施例では、第一導電型の半導体層２１の途中までの深さで、素子の上面からみて細長い長方形の光取り出し窓Ｗを５つ、エッチング加工により設けた場合を例示している。本実施例品にあっては、素子周縁部の端面Ｒが第一の端面発光部５１であり、光取り出し窓Ｗの側壁部が第二の端面発光部５２となる。
【００１６】
そして、第二導電型の半導体層２２の表面にはワイヤーボンディング用の電極３１と、該電極３１と電気的に接触し第二導電型の半導体層２２のエッジ部分を除いた表面全面を覆う透明電極３２とが形成されている。また、素子の角部にエッチング加工により表出させた第一導電型の半導体層２１の表面には、もう一方のワイヤーボンディング用の電極４（４１は電極４の延長部）が設けられている。なお、本実施例ではワイヤーボンディング用電極４を設けるために、第二導電型の半導体層２２の一部を欠如させており、これにより素子周縁に沿わない端面５３が生成されているが、このような端面５３如きも、本発明では第一の端面発光部５１と扱うものとする。
【００１７】
上記した基板１とは、各種の半導体結晶層を成長させるためのベースとなる基板をいう。このような基板としては、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ，ＧａＡｓ，ＮＧＯなどを用いることができるが、発明の目的に対応するならばこのほかの材料を用いてもよい。なお、基板の面方位は特に限定されなく、更にジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。また、サファイア基板などに数μｍのＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長してある基板を用いても良い。
【００１８】
基板１上に成長される半導体層としては種々の半導体材料を用いることができ、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）ではｘ、ｙの組成比を変化させたＧａＮ、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ、Ｉｎ_０．４Ｇａ_０．６Ｎなどが例示できる。
【００１９】
図１に示す発光素子の場合は、例えば基板１としてサファイアを、第一導電型の半導体層２１としてｎ−ＡｌＧａＩｎＮ、発光層２０としてアンドープのＧａＩｎＮを主成分とした多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、第二導電型の半導体層２２としてｐ−ＡｌＧａＩｎＮをそれぞれ用いて素子を構成することができる。このようにＡｌＧａＩｎＮにて半導体層及び／又は発光層を構成すれば、高発光効率を有する紫外域から赤色近傍域までの発光素子を作製することができるという利点がある。
【００２０】
本発明においては、通常の素子と同様にその周縁部に存在する第一の端面発光部５１に加えて、上述した光取出し窓Ｗとしての第２の端面発光部５２を具備していることを特徴とする。この光取出し窓Ｗの形態としては特に制限はなく、発光領域の端面表面積を実質的に増加させる態様であれば良い。具体的には、幅２μｍ〜２０μｍ程度の溝をエッチング加工により設けてその側壁を端面発光部とした光取出し窓Ｗとするのが好ましい態様の一つである。この場合、図１（ａ）に示すように、細長い長方形の溝が素子の内側に刻まれている如き光取出し窓Ｗであっても良いし、素子の周縁部から内側へ入り込んだ溝形状であっても良い。さらに直線状の溝でなくとも、階段状、蛇行状、ジグザグ状に折曲・湾曲したものであっても良い。この他、円形又は正方形等の掘り込みを１個乃至複数個設ける態様、ドツト状の細孔を点在させる態様であっても良い。
【００２１】
図２は最も好ましい光取出し窓Ｗの形状の一つを備えた発光素子を示している。この実施例では、発光領域２に対して櫛形のエッチング加工を施し、結果として櫛形の光取出し窓Ｗの形状としたものである。即ち、発光領域２を、複数の並行配置された線状発光部２０１と、これを取り囲むように素子の周縁に沿って配置された外枠状発光部２０２とで構成し、線状発光部２０１の一端側において外枠状発光部２０２と連結することで両者が同電位とされている。なお２０３はワイヤーボンディング電極３１をマウントするためのランド部である。この場合、外枠状発光部２０２の外周側が第一の端面発光部５１となり、線状発光部２０１の両側壁並びに外枠状発光部２０２の内周側が第二の端面発光部５２となる。かかる光取出し窓Ｗの形状は発光端面の表面積を極大化し得る形状の一つであるので、光取出し効率を極大化し得る。
【００２２】
本発明において行うエッチングの手段としては、塩素ガスを主成分とするプロセスガスを使った反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの方法を採用することができる。このようなエッチング手法により発光領域の端面を露出させるエッチング加工を行うのであるが、該加工は少なくとも発光層が、好ましくはほぼ垂直に、あるいは下面が上面より広がる方向に傾斜して露出するような深さにまで行う。傾斜は、複数個の発光領域を有し隣接した発光端面が存在する場合には、隣接端面からの発光を上部方向（素子の鉛直方向）に反射する面として作用するので有効である。
【００２３】
図１、図２に示す実施例では第一導電型の半導体層２１の途中までの深さまでのエッチング除去に止めているが、このような加工は基板１がサファイアのように絶縁性のもので電極４を半導体層２１に設けねばならない場合に好適である。而して、基板１としてＳｉＣあるいはＧａＮ等の導電性のものを用いる場合は、基板に至る深さにまでエッチング加工を施しても構わない。
【００２４】
第二導電型の半導体層２２の表面に設ける電極構造の好ましい態様は、ワイヤーボンディング用のパッド電極と、この電極と電気的に接触し第二導電型の半導体層表面のほぼ全面を電気的にカバーする透光性電流拡散電極とからなる構造である。このような電極構造とすることで、発光層への電流の拡散性が良好となるからである。ここで拡散電極としては、透明電極や櫛形電極、或いはその組み合わせを用いることができる。
【００２５】
第一導電型の半導体層２１に対する電極４の好ましい例として、前述の図２及び図３にその一例を示している。これら実施例では、光取出し窓Ｗを素子の周縁部から内側に入り込んだ形状とし、電極４は、ワイヤーボンディングがなされる本体部４０と、光取出し窓Ｗとしてエツチング加工にて設けられた溝底部分へ入り込むように形成された延長部４１と、本体部４０と延長部４１を連結する連結部４２とからなっている。かような電極４の構造とすれば、第二導電型の半導体層２２の表面に設けられている透明電極３２と相俟って、光取出し窓Ｗの形成に伴う発光領域構造の複雑化による発光層（半島状発光部２０１）への電流注入分布の不均一さを是正することができる。
【００２６】
以上の実施例では、素子周縁部において発光領域の端面が露出した端面発光部を有している素子の例について例示したが、本発明においては必ずしもこのような周縁端面発光部を有していなくとも良い。即ち、発光領域の端面が前記基板の端面よりも内側において露出するようエッチング加工され、且つ該発光領域は素子の上面から見て島状又は半島状の部分を具備しているような態様であっても良い。
【００２７】
図４に示した実施例は、請求項７に対応する実施例であって、第二導電型の半導体層を、半島状の複数の発光領域２ｃ，２ｃ…を中央部から放射状にエッチング加工した場合を示している。３１、４は上記と同様なワイヤーボンディング用電極である。この場合、半島状の発光領域２ｃの端縁２０ｃを素子周縁まで延長させた場合は、当該端面２０ｃが請求項１でいう第一の端面発光部となり、その余の部分が第二の端面発光部となる。なお、本実施例において、独立した島状の発光領域を設けるようにしても良い。
【００２８】
【実施例】
以下、具体的な実施例について説明する。
［実施例１］
（素子設計）
図１記載の発光素子を一辺が長さＬ＝３５０［μｍ］のほぼ正方形の形状で設計した。ｎ側及びｐ側パッド電極の直径を１５０［μｍ］とし、発光領域は素子の外周から２０μｍ内側に設定した。ｎ側電極は、電流の拡散性を向上させるために素子の一辺のみに幅３０μｍで延在させた。ｐ電極は、パッド電極以外の所は、Ｎｉ／Ａｕなる薄膜構造の透明電極とした。発光領域の内部に、幅１０μｍの溝部を形成し、光取出し窓とした。窓部は発光部の外周から２０μｍ離し、２０μｍ以上の距離を持ってほぼ均等に配列する設計とし、フォトマスクを作製した。
【００２９】
（素子作製及び評価）
ｃ面サファイア基板（厚み３５０μｍ）を、通常の横型常圧ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル成長）装置に装着し、水素気流中で１１００℃まで昇温した。所定時間保持してサーマルエッチングを行なった後、４５０℃まで降温し、ＧａＮ低温バッファ層を成長した。続いて１０００℃まで昇温し、５００ｎｍの無添加ＧａＮを成長し、３５００ｎｍのＳｉ添加ＧａＮを成長した。発光層は３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層（４層）と６ｎｍのＧａＮ障壁層を持ったＭＱＷ（多重量子井戸）構造とし、井戸層のＩｎ組成は発光波長が４６５ｎｍになる様に調整した。成長温度は７００℃であり、無添加で成長した。再び１０００℃まで昇温しＭｇを添加した５０ｎｍのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎクラッド層を成長し、同じくＭｇを添加した１００ｎｍのＧａＮコンタクト層を更に成長した。結晶成長終了後、８５０℃まで温度が下がった後にアンモニアガス、水素ガスを全て窒素ガス流に切り換え、そのまま室温近くまで冷却した。ＭＯＶＰＥ炉から基板を取り出し、通常のフォトリソグラフィ技術（リフトオフ技術）、電子ビーム蒸着技術を用いて、Ｎｉ／Ａｕから構成されるｐ側透光性電極を形成した。次に、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）に耐性のあるフォトレジストを用いて、上記設計した発光層パターンを形成し、ＲＩＥ装置にて１μｍのエッチングを行った。ｎ側及びｐ側のワイヤーボンディング用パッド電極はＴｉ／Ａｌ薄膜で同時に形成した。
【００３０】
得られたＬＥＤチップをエポキシ系樹脂を使ってＬＥＤランプに加工し、発光出力の比較を行った。従来構造で８ｍＷ（２０ｍＡ通電時）の発光出力であったが、本構造により、発光出力が約２０％向上した。
【００３１】
［実施例２］
（素子設計）
図２記載の発光素子構造（素子及び発光領域の外形寸法は実施例と同一）を設計した。１０μｍ幅の外周部とその一辺から延在する幅１０μｍの発光領域を櫛型にほぼ１０μｍ間隔に並べ、ｎ型電極を発光領域とかみ合う様に櫛型構造で設計した。
（素子作製及び評価）
実施例１と同じ層構造の結晶成長を行い、ランプまで加工して従来構造と比較評価を行った。従来構造より約４０％の発光出力の向上が見られた。
【００３２】
［実施例３］
（素子設計）
図３記載の発光素子を設計した。素子は一辺が３５０μｍ（Ｌ）の正方形であり、ｐ側及びｎ側のパッド電極から連結部（幅１０μｍ）を介してストライプ状の発光領域の間に延在させた。発光領域は図の如くストライプ状とし（幅：２０μｍ）、ｎ電極は発光領域間に延在させた。該ｐ側電極下部の発光領域は、該電極より５μｍ太く設計した。ｐ側パッドはショットキー接合としているので、この電極下部は原則的に発光しない。
（素子作製及び評価）
実施例１と同じ層構造の結晶成長を行い、ランプ化まで行った。その結果、発光出力は従来構造の４０％増であった。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明した通りの本発明の半導体発光素子によれば、端面以外の部位において発光領域の端面がエッチング加工により露出された第二端面発光部を形成することにより、当該第二端面発光部が通常の発光素子構造に対するプラスアルファの光取出し窓として作用することとなり、発光素子の光取り出し効率が改善され、結果とて外部量子効率を著しく向上することが出来る。従って、半導体発光素子の高出力化を達成することができ、例えば白色固体発光素子などの高輝度化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一例を示す図であって、（ａ）図はその平面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の他の例を示す斜視図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の他の例を示す平面図である。
【図４】本発明の半導体発光素子の他の例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２０ 発光層
２１ 第一導電型の半導体層
２２ 第二導電型の半導体層
３１、４ ワイヤーボンディング用電極
５１ 第一の端面発光部
５２ 第二の端面発光部

Claims (6)

1. 絶縁性の基板上に、第一導電型の半導体層、発光層、第二導電型の半導体層からなる発光領域が少なくとも形成されている半導体発光素子において、素子周縁部のにおいて前記発光領域の端面が露出した第一の端面発光部と、それ以外の部位において、第一導電型の半導体層の途中までの深さまでのエッチング加工により形成された複数の並行配置された溝を有する櫛形の凹部に前記発光領域の端面が露出された第二端面発光部とを有し、さらに第二導電型の半導体層の上部表面は電極で実質的に覆われており、該電極の表面の一部にはワイヤーボンディング用電極が設けられているとともに、第一導電型の半導体層に対する電極が前記溝の溝底部分へ入り込むように形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 半導体層及び／又は発光層がＡｌＩｎＧａＮにて構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. エッチング加工により露出される第二端面発光部が、素子の素子の周縁部に開口部を持たない凹部及び／又は周縁部に開口部を有する凹部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. エッチング加工により露出される第二発光端面が、帯状の発光領域の端面であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
5. エッチング加工により形成された凹部に、発光層からの光に透明であり発光波長での屈折率が１．３以上の物質を充填したことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の半導体発光素子。
6. 第二導電型の半導体層の上部表面を実質的に覆う電極が、透明電極、櫛形電極、或いはその組み合わせからなる電極である請求項１〜５いずれかに記載の半導体発光素子。

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