JP4093843B2

JP4093843B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP4093843B2
Application number: JP2002325222A
Authority: JP
Inventors: 尚一大山; 弘志中津; 孝尚倉橋; 哲朗村上
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: JP2004158778A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、表示用、通信用に使用される発光素子、特に発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２９０１８２３号公報（図１）
【０００４】
従来の発光素子１００ａでは、図８に示すように、活性層１０１（発光層）、ｐ−クラッド層１０２、および電流拡散層１０３からなる多層構造を有し、電流拡散層１０３の上面にはｐ−電極１０４を備える。この発光素子１００に電流を流すと、活性層１０１が発光するようになっている。この活性層１０１から発生した光は、等方向に放射され素子表面１０５から結晶外部へ放出される。このとき、活性層１０１から発生して外部へ放出される光は、素子表面１０５への入射角が全反射角以内の光（例えば、矢印で示す経路ａ，ｂ）に限定される。入射角が全反射角以上の光（例えば、矢印で示す経路ｃ）は、素子表面１０５において全反射されて結晶内部に戻ってしまう。
【０００５】
図９に示すように、他の発光素子１００ｂでは、素子表面１０５を粗面化することにより、入射角が全反射角以上の光（例えば、矢印で示す経路ｄ）を発光素子外部に取り出すようにしている。しかしながら、電流拡散層１０３がＧａＰや（Ａｌ_ｘＧａ_ｘ−１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）などの材料から構成されている場合、ＨＦまたは塩酸ボイルなどを用いて素子表面１０５を粗面化できないという問題があった。
【０００６】
この問題を解決するため、図１０に示す発光素子１００ｃは、発光素子表面１０５にメサ構造１０６を設けたものである。このとき、入射角が全反射角以上の光（例えば、矢印で示す経路ｅ，ｆ）を、素子１００ｃ外部へと取り出すことが可能となり、発光素子１００ｃの輝度が向上する。
【０００７】
前記メサ構造を備えた発光素子１００ｃにおける光取り出し効率について検討する。発光素子モデルは、図１１に示すように、活性層上面から素子表面までの垂直方向の距離ｈ１を５μｍとし、素子表面からメサ構造天面までのメサ高さｈ２を４μｍとした。また、メサ構造の天面幅ｍは１４μｍである。また、メサ構造斜面と垂直方向との間の角度ｔは、４１°である。光取り出し効率とは、発光素子モデルの活性層上の発光位置Ｐ（ｘ、０）において水平方向に対して角度θで発光される光に関して、角度θが０〜πまでの範囲内において、発光角度θが１°毎に素子表面で光が全反射されるか否かを判定し、このときの全反射されない光の割合である（但し、結晶内での多重反射及び電流拡散層／空気界面の透過率の角度依存性は考慮していない。）。また、光取り出し効率が１とは、発光素子にメサ構造が設けられていない場合の光取り出し効率を表す。
【０００８】
以上のようにして得られた発光位置Ｐ（ｘ、０）に応じた光取り出し効率を、図１２に示す。これによると、光取り出し効率は、発光位置Ｐがメサ構造天面の中心点Ｑ（図１１に図示）と平面視において対応する活性層の中心点（原点Ｏ）から約１０μｍ程度離れた位置では、発光素子にメサ構造が設けられていない場合より低下する。また、発光位置Ｐが原点Ｏから１０μｍ以上離れた位置では、発光素子にメサ構造が設けられていない場合とほぼ等しい。このことから、活性層のメサ構造下方からむやみに離れた位置に発光位置Ｐを設けても、発光素子の輝度が向上しないことが分かる。
【０００９】
その為、図１３に示す発光素子１００ｄのように、前記メサ構造１０６下方に開口部１０７ａを有する電流狭窄層１０７を設け、矢印で示すように、通電時に電流狭窄を行うことによって電流密度を高めたものが公知である（例えば、特許文献１を参照）。これにより、この発光素子１００ｄでは、メサ構造１０６下方の活性層１０１（発光層）において発光領域Ｒを限定し、メサ構造１０６による光取り出し効率の向上を図っている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記発光素子１００ｄにおいて、メサ構造のメサ高さｈ２および天面幅ｍの各値に応じた光取り出し効率を求めた。このとき、前記メサ高さｈ２が４，６，８μｍである場合について、また、メサ構造の天面幅ｍが４０，４８，５６，６４，７２μｍであるときの光取り出し効率を求めた。
【００１１】
その結果、図１４、図１５、図１６に示すように、光取り出し効率は、メサ構造のメサ高さｈ２に比例して高くなることが分かった（特に、発光位置Ｐ（ｘ，０）が活性層の中心点（原点Ｏ）から約−１０〜１０μｍ程度離れた位置において、光取り出し効率が、メサ構造のメサ高さｈ２に比例して高い）。メサ高さｈ２を、４μｍ以上、特に１２μｍ以上にするために、メサ構造１０６が形成される電流拡散層１０３の材料にＡｌＧａＡｓや（Ａｌ_ｘＧａ_ｘ−１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いることが考えられる。このとき、電流拡散層１０３が格子整合し、歪による劣化が抑制される。しかしながら、それ以外の材料を用いた場合、格子不整合が生じるので、メサ高さｈ２を制限し、歪による劣化を抑制する必要がある。なお、電流拡散層１０３が積層されるｐ−クラッド層１０２の材料は、発光層１０１と格子不整合が生じないように選択されている。
【００１２】
また、前記グラフから前記メサ構造１０６の天面幅ｍを広くしても光取り出し効率が向上しないことが分かった。逆に狭いと発光部の中心部分（発光位置Ｐ（ｘ，０）が活性層の中心点（原点Ｏ）から約−１０〜１０μｍ程度離れた位置）の光取り出し効率は向上するが、発光部の周辺部分の取り出し効率は向上せず、全体としてはむしろ効果が低下する。例えば、発光波長５７０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードでは、光度３０ｍｃｄから２０ｍｃｄに低下した。
【００１３】
このように、単純にメサ構造を設けるだけでは光度は向上せず、適切な形状を有するメサ構造を備える半導体発光素子が必要とされていた。
【００１４】
そこで、本発明では、前記従来の問題に鑑み、輝度および光取り出し効率を向上させた半導体発光素子を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、
発光層と、該発光層に積層された電流拡散層と、該電流拡散層表面をエッチングすることにより形成されたメサ構造とを備える半導体発光素子において、
前記メサ構造の天面の見込み半角を、ほぼ全反射角にしたものである。
【００１６】
前記発明によれば、メサ構造の天面の見込み半角がほぼ全反射角になっているので、発光層からメサ構造の天面に見込み半角内の角度で入射した光は、メサ構造の天面を介して素子外部に取り出され、発光素子の輝度を向上する。ここで、メサ構造の天面の見込み半角とは、平面においてメサ構造の天面の中心点と対応する発光層の発光位置からメサ構造の天面外縁に入射するときの入射角度のことをいう。
【００１７】
前記電流拡散層は、（Ａｌ_ｘＧａ_ｘ−１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなり、前記メサ構造の側面の見込み角が、３５°以上１５０°以下であることが好ましい。電流拡散層を（Ａｌ_ｘＧａ_ｘ−１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で形成した場合、全反射角は約１７°となる。このとき、前記メサ構造の天面の見込み半角は、１４°〜１７°、好ましくは１７°である。また、メサ構造の側面の見込み角の上限値を１５０°にしたのは、メサ構造側面（斜面）と垂直方向との間の角度を４１°とした場合、見込み角がおよそ１５０°となるためである。これにより、メサ構造の天面の見込み半角が全反射角となり、発光した光のうち内部に戻っていた光をメサ構造の側面より外部へと取り出し、発光素子の輝度を向上させることができる。ここで、メサ構造の側面の見込み角とは、平面においてメサ構造の天面の中心点と対応する発光層の発光位置からメサ構造の側面外縁に入射するときの入射角度の２倍の大きさを有する角度のことである。また、電流拡散層が発光層に対して格子整合するので、メサ構造の高さを１２μｍ以上の高さに形成できる。また、短波長の発光素子に適用可能である。
【００１８】
また、前記電流拡散層は、ＡｌＧａＡｓからなり、前記メサ構造の側面の見込み角が、３５°以上１５０°以下であることが好ましい。電流拡散層をＡｌＧａＡｓで形成した場合、全反射角は約１７°となる。このとき、前記メサ構造の天面の見込み半角は、１７°である。これにより、メサ構造の天面の見込み半角が全反射角となり、発光した光のうち内部に戻っていた光をメサ構造の側面より外部へと取り出し、発光素子の輝度を向上させることができる。また、電流拡散層が発光層に対して格子整合するので、メサ構造の高さを１２μｍ以上の高さに形成できる。
【００１９】
前記発光層は、（Ａｌ_ｘＧａ_ｘ−１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなることが好ましい。このとき、発光層から発光される光の発光波長は、５７０ｎｍである。
【００２０】
前記メサ構造の高さを４μｍ以上１２μｍ以下とすることが好ましい。メサ構造の高さを高くして光取り出し効率を向上するためには、メサ構造が形成される電流拡散層の層厚を厚くする必要がある。このとき、電流拡散層が発光層に対して格子不整合となる場合、電流拡散層の層厚を厚くすると歪によりメサ構造を含む電流拡散層に劣化が生じる。このメサ構造の劣化を防止するため、メサ構造の高さを４μｍ以上１２μｍ以下とする。メサ構造の高さを４μｍ以上１２μｍ以下とするとき、電流拡散層厚制御を行うことにより達成することが好ましい。
【００２１】
前記メサ構造は、前記電流拡散層表面を複数回エッチングすることによりドーム形状に形成されることにより、光取り出し効率が向上する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る半導体発光素子１の断面図である。この半導体発光素子１は、基板２、活性層３（発光層）、ｐ−クラッド層４、および電流拡散層５からなる多層構造を有する。基板２の下面に裏面電極６を設け、電流拡散層５の上面にｐ−電極７を設けたものである。前記活性層３および前記電流拡散層５は、（Ａｌ_ｘＧａ_ｘ−１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる。この発光素子１に通電すると、活性層３が発光するようになっている。また、ｐ−クラッド層４と電流拡散層５との間には、従来の発光素子と同様に、電流狭窄することによって電流密度を高めるための電流狭窄層８が形成されている。
【００２６】
また、電流拡散層５の上面５ａ（素子表面）には、メサ構造９が形成されている。このメサ構造９のメサ高さｈ２、すなわち電流拡散層５表面からメサ構造９の天面までの高さは４μｍ以上１２μｍ以下であり、前記メサ構造の天面幅ｍは３〜９μｍである。
【００２７】
また、メサ構造９の天面９ａの見込み半角ｒ１は、ほぼ全反射角（約１７°）になっている。ここで、メサ構造の天面の見込み半角ｒ１とは、平面においてメサ構造９の天面９ａの中心点Ｑと対応する活性層３の発光位置Ｏからメサ構造９の天面９ａ外縁に入射するときの入射角度のことをいう。
【００２８】
また、メサ構造９の側面９ｂの見込み角ｒ２は、３５°である。ここで、メサ構造の側面の見込み角ｒ２とは、前記発光位置Ｏからメサ構造９の側面９ｂ外縁に入射するときの入射角度ｒ３の２倍の大きさを有する角度ｒ２のことである。なお、本実施形態においては、メサ構造９の側面９ｂの見込み角ｒ２は、３５°としたが３５°以上１５０°以下であればよい。
【００２９】
次に、前記半導体発光素子１を製造する製造方法について説明する。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、先ず、基板２上に（Ａｌ_ｘＧａ_ｘ−１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる活性層３、ｐ−クラッド層４、電流狭窄層８および（Ａｌ_ｘＧａ_ｘ−１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる電流拡散層５を順次積層する。ここで、ｐ−クラッド層４上面から電流拡散層５表面までの高さｈ３は、１４μｍであり、活性層３上面から電流拡散層５表面までの高さｈ４は、１３μｍとなるように積層した。
【００３１】
次に、図２（ｂ）に示すように、電流拡散層５上面の一部をレジスト１０により保護する。そして、図２（ｃ）に示すように、電流拡散層５をエッチングし、メサ構造９を形成する。このエンチング時に使用するエッチャントは、硫酸系エッチャントでは、６０℃で１０分間エッチングを行っても約１μｍ程度しかエッチングできない為、塩酸：酢酸：過水のエッチャントを使用する。その際、エッチャント作成後約１５分ほど経過してからエッチングを開始する。これは、図３に示すように、エッチャント作成直後から１時間後のエッチングレートを見ると、エッチングレートが大きく異なり、エッチャント作成直後が最もエッチングレートが速いが、エッチングばらつきが多くなり、逆に、作成後１時間経つとエッチングレートが遅くなり、エッチングするのが困難になるためである。
【００３２】
続いて、図２（ｄ）に示すように、レジスト１０を剥離した後、スパッタ法或いは蒸着法により電流拡散層５上面に電極材料を薄膜形成し、ｐ−電極７を形成する。さらに、前記基板２の下面に裏面電極６を蒸着する。
【００３３】
次に、前記構成からなる半導体発光素子１の作用について説明する。
【００３４】
以上のようにして、製造された発光ダイオード１では、図１に示す発光領域Ｒから発光される光のうち、メサ構造９の天面９ａに見込み半角ｒ１以内の角度で入射した光は、見込み半角ｒ１がほぼ全反射角（約１７°）であるので天面９ａにより反射されることなく外方に射出される。また、発光領域Ｒから発光される光のうち、メサ構造９の側面９ｂに入射した光は、メサ構造９の側面９ｂの見込み角ｒ２が、３５°以上であるので、側面９ｂにより反射されることなく外方に射出される。これにより、光取り出し効率が向上する。また、放出する光の光度を向上することができた。なお、本発明を発光波長５７０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードに適用した場合、従来の発光素子では３０ｍｃｄであった光度を５８ｍｃｄに向上できた。
【００３５】
前記実施形態の変形例として、図４に示すように、メサ構造９をドーム形状に形成してもよい。これは、前述した半導体発光素子１を製造する製造方法において、レジスト１０剥離後にさらに追加エッチングを行ったものである。これにより、前記実施形態と同様に放出する光の光度を向上することができる。
【００３６】
図５（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子１’の断面図である。この半導体発光素子１’では、図５（ｂ）に示すように、ｐ−電極７’がメサ構造９の天面９ａに形成されている。また、環形状の活性層３’（発光層）が、平面視において前記ｐ−電極７’の周囲を囲むように配置されている。また、前記実施形態の電流狭窄層８は、設けられていない。他の前記実施形態と同様である部分は、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３７】
以上の構成からなる半導体発光素子１’では、ｐ−電極７’の外縁と環形状の活性層３’の外縁との距離が均等であるので、発光領域Ｒにおいて通電する電流の電流拡散が均一となる。これに対して、図６に示すように、ｐ−電極７’の外縁と活性層３’の外縁との距離が不均等な場合、電流拡散が不均一になり発光領域（特に、活性層３’の角部）の輝度が低下してしまう。また、図７に示すように、環形状の活性層３’を設けるのではなく、ｐ−電極７’の外縁と環形状の活性層３’の外縁との距離が均等になるように多角形状の活性層３’を形成してもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、発光層と、該発光層に積層された電流拡散層と、発光層と電流拡散層との間に設けられた電流狭窄層と、電流拡散層表面をエッチングすることにより形成されたメサ構造とを備える半導体発光素子において、電流狭窄層によりメサ構造の天面と対応する位置に発光領域を設け、メサ構造の天面の中心点と対応する発光層の発光位置からメサ構造の天面の外縁に入射するときのメサ構造の天面の見込み半角を、ほぼ全反射角にしたので、発光層からメサ構造の天面に見込み半角内の角度で入射した光は、メサ構造の天面により反射されることなく素子外部に取り出され、発光素子の輝度および光取り出し効率を向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図１の発光ダイオードの製造時を示す断面図である。
【図３】エッチャント作成後放置時間に応じたエッチングレートを示したグラフである。
【図４】図１の半導体発光素子の変形例を示す断面図である。
【図５】（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。（ｂ）は、（ａ）の平面図である。
【図６】ｐ−電極の外縁と活性層の外縁との距離が不均等な場合を示した半導体発光素子の平面図である。
【図７】図５の変形例を示した平面図である。
【図８】従来の半導体発光素子の断面図である。
【図９】従来の半導体発光素子の断面図である。
【図１０】従来の半導体発光素子の断面図である。
【図１１】従来の半導体発光素子の発光素子モデルである。
【図１２】図１１の発光素子モデルにおける光取り出し効率を示すグラフである。
【図１３】従来の半導体発光素子の断面図である。
【図１４】図１３の半導体発光素子における光取り出し効率を示すグラフである。
【図１５】図１３の半導体発光素子における光取り出し効率を示すグラフである。
【図１６】図１３の半導体発光素子における光取り出し効率を示すグラフである。
【符号の説明】
１…半導体発光素子
３…活性層（発光層）
５…電流拡散層
９…メサ構造
ｒ１…メサ構造の天面の見込み半角
ｒ２…メサ構造の側面の見込み角

Claims

発光層と、該発光層に積層された電流拡散層と、前記発光層と前記電流拡散層との間に設けられた電流狭窄層と、前記電流拡散層表面をエッチングすることにより形成されたメサ構造とを備える半導体発光素子において、
前記電流狭窄層により前記メサ構造の天面と対応する位置に発光領域を設け、
前記メサ構造の天面の中心点と対応する発光層の発光位置から前記メサ構造の天面の外縁に入射するときの前記メサ構造の天面の見込み半角を、ほぼ全反射角にしたことを特徴とする半導体発光素子。
前記発光層は、（Ａｌ_ｘＧａ_ｘ−１）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記メサ構造は、前記電流拡散層表面を複数回エッチングすることによりドーム形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。