JP3953070B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に発光半導体層に電圧を印加するための電極をそれぞれ支持基板の同一面側に形成した構造を有する半導体発光素子に関するものである。

従来の半導体発光素子として、特開平１０−９３１３８（特許文献１）に提案されているものを図３に示す。このものは、サファイアからなる支持基板１０１にバッファ層１０２を介してｎ型コンタクト層１０３を積層し、さらに窒化物半導体からなる発光接合層（活性層）１０４ｃを有する発光半導体層１０４と、ｐ型コンタクト層１０５と、第２電極（正電極）１０６を順次積層させた層構造をなしている。このうち、発光半導体層１０４は、窒化物半導体からなるｎ型クラッド層１０４ａ，１０４ｂとｐ型クラッド層１０４ｄ，１０４ｅがそれぞれ発光接合層１０４ｃの下位と上位に配された構造をなしている。また、第２電極（正電極）１０６は、平面視において略長四角形をなす短冊体をしている。さらに、ｎ型コンタクト層１０３の露出した領域には、平面視において略長四角形をなす第１電極（負電極）１０７が発光半導体層１０４と間隔をあけて第２電極（正電極）１０６と平面視において略平行に形成されている。

そして、この半導体発光素子によれば、両電極１０６，１０７間に順方向（第２電極（正電極）１０６から第１電極（負電極）１０７に向かって電流が流れる方向）の電流を流すことにより、ｐ型クラッド層１０４ｄ，１０４ｅの多数キャリアである正孔とｎ型クラッド層１０４ａ，１０４ｂの多数キャリアである電子が発光接合層１０４ｃへ移動し、そこで正孔と電子が再結合することにより発光するのである。
特開平１０−９３１３８号公報（第５頁〜第８頁、図１）

ところで、このような半導体発光素子において、発光半導体層１０４の中を流れる電流は、その発光半導体層１０４内で抵抗値が比較的小さくなる領域を主として流れる傾向がある。すなわち、第２電極（正電極）１０６から第１電極（負電極）１０７へ至るまでの電流経路が短くなる領域に電流が集中することになる。この領域は、発光半導体層１０４を断面視したときに第２電極（正電極）１０６の形成位置を境にして第１電極（負電極）に近い側の領域（図３における発光半導体層１０４の右半分）と略同等であり、この領域の発光接合層１０４ｃで正孔と電子の再結合が多量に発生して強く発光することになる。したがって、発光接合層１０４ｃの全体を発光領域として使用できず、結果的に、均一に発光させることが困難になってしまう。

この問題を解決するために、第２電極（正電極）１０６の形成位置を第１電極（負電極）１０７から遠い位置（図３の左方）に形成すれば第２電極（正電極）１０６から第１電極（負電極）１０７へ至るまでの電流経路が短くなる領域が増大し、結果的に、発光領域として使用できる発光接合層１０４ｃの領域は拡大するが、その反面、電路（最短距離）が長くなることにより抵抗値が大きくなって電力損失が増加し、発光効率が低減するという問題が生じてしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、発光の均一性を向上させるとともに発光効率を上昇させることができる半導体発光素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の半導体発光素子は、支持基板と、支持基板に設けられた第１コンタクト層と、発光接合層を介して第１クラッド層及び第２クラッド層とを積層したものであって第１コンタクト層に設けられた発光半導体層と、発光半導体層に設けられた第２コンタクト層と、第１コンタクト層に設けられて前記発光半導体層と相対する第１電極と、第２コンタクト層の周縁部から内方に略一定の距離を有して端面が位置して第２コンタクト層に設けられた第２電極と、を備えた半導体発光素子であって、前記発光半導体層及び前記第１電極は、それぞれの互いに相対する周縁部が一定の間隔を空けて噛合する凹凸形状に設けてなり、前記第１電極の凹凸形状における凸部を前記発光半導体層に向かって幅の狭くなる形状に設けるとともに前記発光半導体層の凹凸形状における凸部を前記第１電極に向かって幅の狭くなる形状に設けて前記発光半導体層の凹凸形状における凸部に流れる電流密度を一定にしたことを特徴としている。

請求項２に係る発明の半導体発光素子は、請求項１記載の構成において、前記発光半導体層の凸部は、その先端の幅が前記第１電極の凸部の先端の幅より大きいものとしている。

請求項３に係る発明の半導体発光素子は、請求項１又は２記載の構成において、前記発光半導体層及び前記第１電極の凸部は、その隅角部が面取りされたものとしている。

請求項４に係る発明の半導体発光素子は、請求項１乃至３いずれかに記載の構成において、前記発光半導体層は、所定部位が反射膜で覆われたものとしている。

請求項５に係る発明の半導体発光素子は、請求項１乃至４いずれかに記載の構成において、前記反射膜は、第１電極及び第２電極を構成する材料と同等若しくはより高い反射率を有する材料より形成されてものとしている。

請求項１に係る発明の半導体発光素子は、発光半導体層及び第１電極を、それぞれの互いに相対する周縁部が一定の間隔を空けて噛合する凹凸形状に設け、第１電極の凹凸形状における凸部を発光半導体層に向かって幅の狭くなる形状に設けるとともに発光半導体層の凹凸形状における凸部を第１電極に向かって幅の狭くなる形状に設けた構成としているので、第２電極内での電流損失等により発光半導体層の凸部の先端で電流量が減少しても電流密度を一定に保つことが可能となり、発光の均一性を向上させることができる。また、第２電極から第１電極へ向かう電流経路が特定箇所に偏ることなく略均一に形成され、電極間の距離も短くすることが可能となり、発光効率を上昇させることができる。

請求項２に係る発明の半導体発光素子は、請求項１記載の効果に加えて、発光半導体層の凸部は、その先端の幅を第１電極の凸部の先端の幅より大きくしているので、発光半導体層の凸部の面積を第１電極の凸部の面積より大きくなり、発光する面積を広くとることができて発光効率をより向上させることができる。

請求項３に係る発明の半導体発光素子は、請求項１又は２記載の効果に加えて、発光半導体層及び第１電極の凸部は、その隅角部を面取りしているので、その部位での電流集中を緩和することができ、局所的な発熱を抑制して発光効率をさらに向上させることができる。

請求項４に係る発明の半導体発光素子は、請求項１乃至３いずれかに記載の効果に加えて、発光半導体層の所定部位を反射膜で覆っているので、発光接合層で発生した光をほぼ支持基板の方向へ出力することができる。

請求項５に係る発明の半導体発光素子は、請求項１乃至４いずれかに記載の効果に加えて、反射膜は、第１電極及び第２電極を構成する材料と同等若しくはより高い反射率を有する材料より形成されているので、光の反射性が向上して発光効率をさらに向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る半導体発光素子を示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。

この実施形態の半導体発光素子は、バッファ層２を有する支持基板１と、第１コンタクト層３と、発光半導体層４と、第２コンタクト層５と、第１電極６と、第２電極７とを構成要素としている。

支持基板１は、半導体発光素子のベースとなるものであり、例えば、サファイアからなる絶縁基板にて形成されている。また、この支持基板１上には、例えば、ＧａＮからなるバッファ層２が積層されている。このバッファ層２は、支持基板１と後述する第１コンタクト層３との間に介在しており、両者の線膨張係数の違いにより発生する応力を緩和する機能を有している。

第１コンタクト層３及び第２コンタクト層５は、後述する発光半導体層４に電極を形成した際に、その界面に生じる接触障壁（ショットキバリア）を小さくしてオーミック接触を実現するためのものである。このものは、例えば、ＧａＮから形成されており、第１コンタクト層３はｎ型の導電型に、第２コンタクト層５はｐ型の導電型になるように不純物が添加されている。また、第１コンタクト層３は、平面視において支持基板１と略同等の大きさでバッファ層２の上部（図１（ｂ）の上方）に積層されており、発光半導体層４の第１クラッド層４ａと後述する第１電極６との接触障壁を低減している。また、第２コンタクト層５は、発光半導体層４と平面視において略同等の大きさで発光半導体層４の第２クラッド層４ｃの上部（図１（ｂ）の上方）に積層されており、後述する第２電極７との接触障壁を低減している。

発光半導体層４は、多層構造をしたものであって、上層及び下層に存在する多数キャリアを所定の中間層で再結合させることにより発光を実現するものである。このものは、発光接合層４ｂと、第１クラッド層４ａと、第２クラッド層４ｃの３層から構成されており、発光接合層４ｂを介して第１クラッド層４ａと第２クラッド層４ｃとを積層して形成したものである。また、その形状は、平面視において略四角形状をなす領域から第１コンタクト層３に沿って突出し、第１電極６の方向に向かうにしたがって幅が小さくなる略台形状の凸部４１，４１，…と、これらに対応する略逆台形状の凹部４３，４３，…を交互に複数有した形状をしている。また、この凸部４１，４１，…は、その先端の幅（図１（ａ）の左右方向）を後述する第１電極６の凸部６１，６１，…の先端の幅より広く形成することにより、平面視における凸部４１，４１，…の形状を凸部６１，６１，…より大きく形成している。さらに、凸部４１，４１，…は、その隅角部４２，４２，…に所定の曲率で面取りを施してある。

このうち、発光接合層４ｂは、Ｉｎ（インジウム）を含有する窒化物半導体で構成されており、例えば、ＩｎＧａＮにて形成されている。また、発光接合層４ｂのＩｎとＧａの混晶比を調整したり、或いはＳｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｔｅ（テルル）、Ｓ（イオウ）等の不純物を適宜ドープしてｎ型の導電型にしたり、又はＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｃａ（カルシウム）等の不純物をドープしてｐ型の導電型にすることにより、バンドギャップを変化させて発光波長を変化させることができる。

また、第１クラッド層４ａは、発光接合層４ｂよりバンドギャップの大きい窒化物半導体で構成されており、例えば、ＡｌＧａＮにて形成されている。また、このものは、不純物を添加することによりｎ型の導電型に形成されている。

また、第２クラッド層４ｃは、第１クラッド層４ａと略同様に発光接合層４ｂよりバンドギャップの大きい窒化物半導体で構成されており、例えば、ＡｌＧａＮにて形成されている。また、このものは、不純物を添加することによりｐ型の導電型に形成されている。

第１電極６は、発光半導体層４の低電位側と外部との電気的な接続を実現するものである。このものは、例えば、Ａｌ（アルミニウム）にて形成されており、その形状は、平面視において略四角形状をなす領域から発光半導体層４の凸部４１，４１，…の間に向かうにしたがって幅が小さくなる略台形状の凸部６１，６１，…を略逆台形状の凹部６３，６３，…を介して複数有した形状をしている。また、凸部６１，６１，…は凹部４３，４３，…と、凹部６３，６３，…は凸部４１，４１，…と略一定の間隔を有してかみ合うように形成されている。また、この第１電極６は、第１コンタクト層３に積層されており、発光半導体層４とその平面方向（図１（ｂ）の左右方向）に略一定の間隔を有して設けられている。また、この凸部６１，６１，…の平面視における形状は、凸部４１，４１，…よりも小さく形成しており、その隅角部６２，６２，…は所定の曲率で面取りを施してある。

第２電極７は、発光半導体層４の高電位側と外部との電気的な接続を実現するものである。このものは、第１電極６と同じくＡｌにて形成されており、その形状は、平面視において発光半導体層４と略同等の形状をしているが、第１電極６と対向する周縁部において所定の距離だけ発光半導体層４から内方に形成されている。

その動作は、発光半導体素子に順方向のバイアス、すなわち、第２電極７に正の電圧、第１電極６に負の電圧を印加すると第２クラッド層４ｃの多数キャリアである正孔と第１クラッド層４ａの多数キャリアである電子が発光接合層４ｂに注入される。そこで正孔と電子が再結合して消滅するときにエネルギーを放出するが、このエネルギーが光となって発光する。このとき、第２電極７と第１電極６との間に電流経路が形成されることになるが、第１電極６及び第２電極７は、互いの方向に向かって幅が小さくなる略台形状をしており、その間隔は略一定に保たれていることから、発光半導体層４に流れる電流密度は全領域でほぼ一定になっている。

以上説明した実施形態の半導体発光素子によると、発光半導体層４は、略四角形状をなす領域から第１コンタクト層３に沿って幅を狭めながら（小さくしながら）突出する略台形状の凸部４１，４１，…と略逆台形状の凹部４３，４３，…を交互に複数有しているので、第２電極７内での電流損失等によりその略台形状の先端で電流量が減少しても、凸部４１，４１，…の断面積がそれに応じて減少しているため、結果的に電流密度をほぼ一定に保つことが可能となり、発光の均一性を向上させることができる。また、第１電極６は、凹部４３，４３，…の間に突出して略台形状をなす凸部６１，６１，…を発光半導体層４から略一定の間隔を有して形成しているので、第２電極７から第１電極６へ向かう電流経路が特定箇所に偏ることなく略均一に形成され、電極間の距離も短くすることが可能となり、発光の効率を上昇させることができる。また、凸部４１，４１，…の先端の幅を凸部６１，６１，…のそれより大きくしているので、凸部４１，４１，…の平面視における面積は、凸部６１，６１，…の面積より大きくなり、発光する部位を広くとることができてより発光効率をより向上させることができる。また、第１凸部４１，４１，…及び第２凸部６１，６１，…のそれぞれの隅角部４２，…，６２，…を面取りしているので、その位置での電流集中を緩和することができ、局所的な発熱を抑制してさらに発光効率をさらに向上させることができる。

なお、バッファ層２の材料は、ＧａＮに限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＮやＡｌＮ等、支持基板１と第１コンタクト層３との間に生ずる応力を緩和できるものであればよい。

また、第１電極６及び第２電極７の材料は、Ａｌに限定されるものではなく、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）でもよい。

また、第１クラッド層４ａ及び第２クラッド層４ｃの材料は、窒素−三族元素化合物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ，０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）から構成されるものであれば、ＡｌＧａＮに限定されるものではない。

［第２の実施形態］
図２は、本実施形態に係る半導体発光素子を示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。

この実施形態の半導体発光素子は、反射膜８を追加した点が第１の実施形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形態のものと実質的に同一であるので、同一部材には同一の番号を付して説明を省略する。

反射膜８は、発光接合層４ｂで発生した光が発光接合層４ｂの上面（図２（ｂ）の上方）や側面から外部に散乱することを低減するものである。このものは、例えば、Ａｕより形成されており、発光半導体層４の第１電極６と対向する側面や第２コンタクト層５の第２電極７が形成されていない箇所といった所定の部位を覆うように絶縁膜９を介して設けられている。この絶縁膜９は、例えば、酸化膜にて形成されており、発光半導体層４と反射膜８とを電気的に絶縁している。

以上説明した実施形態の半導体発光素子によると、第１の実施形態で説明した効果に加えて、発光半導体層４の露出面を第１電極６及び第２電極７を構成する材料と同等若しくはより高い反射率を有するＡｕにより覆っているので、発光接合層４ｂで発生した光をほぼ支持基板１の方向へ出力することができ、発光効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子を示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子を示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。 従来の半導体発光素子を示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿って切断したときの断面図である。

符号の説明

１ 支持基板
３ 第１コンタクト層
４ 発光半導体層
４ａ 第１クラッド層
４ｂ 発光接合層
４ｃ 第２クラッド層
４１ 凸部
４２ 隅角部
４３ 凹部
５ 第２コンタクト層
６ 第１電極
６１ 凸部
６２ 隅角部
６３ 凹部
７ 第２電極
８ 反射膜

Claims (5)

1. 支持基板と、
   支持基板に設けられた第１コンタクト層と、
   発光接合層を介して第１クラッド層及び第２クラッド層とを積層したものであって第１コンタクト層に設けられた発光半導体層と、
   発光半導体層に設けられた第２コンタクト層と、
   第１コンタクト層に設けられて前記発光半導体層と相対する第１電極と、
   第２コンタクト層の周縁部から内方に略一定の距離を有して端面が位置して第２コンタクト層に設けられた第２電極と、
   を備えた半導体発光素子であって、
   前記発光半導体層及び前記第１電極は、それぞれの互いに相対する周縁部が一定の間隔を空けて噛合する凹凸形状に設けてなり、前記第１電極の凹凸形状における凸部を前記発光半導体層に向かって幅の狭くなる形状に設けるとともに前記発光半導体層の凹凸形状における凸部を前記第１電極に向かって幅の狭くなる形状に設けて前記発光半導体層の凹凸形状における凸部に流れる電流密度を一定にしたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記発光半導体層の凸部は、その先端の幅が前記第１電極の凸部の先端の幅より大きいものである請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記半導体層及び前記第１電極の凸部は、その隅角部が面取りされている請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. 前記発光半導体層は、所定部位が反射膜で覆われている請求項１乃至３いずれかに記載の半導体発光素子。
5. 前記反射膜は、第１電極及び第２電極を構成する材料と同等若しくはより高い反射率を有する材料より形成されている請求項１乃至４いずれかに記載の半導体発光素子。

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