JP4692075B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は可視領域の光を発光する半導体発光素子に係り、特に化合物半導体層の形状を改良した半導体発光素子に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）等の半導体発光素子の外部量子効率は、内部量子効率と光取り出し効率との２つの要素からなり、これらの効率を改善することにより、長寿命、低消費電力、かつ、高出力の半導体発光素子を実現することが可能となる。ここで、前者の内部量子効率は、例えば、結晶欠陥や転位の少ない良質な結晶が得られるように成長条件を正確に管理したり、キャリア・オーバーフローの発生を抑制することの可能な層構造とすることにより改善される。一方、後者の光取り出し効率は、活性層から発光した光が基板や活性層で吸収される前に出射窓に対して脱出円錐（エスケープ・コーン）角未満で入射する割合が多くなるような幾何形状や層構造とすることにより改善される。

そうした形状や構造からなる素子の１つに、非特許文献１に開示されているように、厚い窓層が出射窓に設けられた素子がある。この素子では、厚い窓層が出射窓に設けられているので、活性層から発光した光が出射窓に対して脱出円錐角未満で入射する割合が多くなる。

また、特許文献１には、出射窓表面に角錐状突起部が複数設けられた素子が開示されている。この素子では、角錐状突起部によって出射窓から出射される光の割合が多くなる。

また、特許文献２には、光学的に透明な基板を備えた素子が開示されている。この素子では、基板が光を吸収しないので基板からも外部に光が出射される。

また、特許文献３には、逆三角錐台形の形状からなり、かつ、光学的に透明な厚い基板を備えた素子が開示されている。この素子では、逆三角錐台形の斜めの端面によって活性層から発光した光が基板上面に対して脱出円錐角未満で入射する割合が多くなると共に、基板上面で反射した光が逆三角錐台形の斜めの端面に対して脱出円錐角未満で入射する割合が多くなる。

また、特許文献４には、複数の凹型メサ部の上部がカバー層で覆われてなるマイクロリフレクタ構造を備えた素子が開示されている。この素子では、各メサ部の端面形状やカバー層の厚さなどを調節することによって、活性層からカバー層側へ出射された光がカバー層表面に対して脱出円錐角未満で入射する割合が多くなる。

また、特許文献５には、ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector) ミラー層を備えた素子が開示されている。この素子では、ＤＢＲミラー層によって光が半導体層へ戻されるので、基板での吸収が抑制される。

また、特許文献６には、全指向性反射層を備えた素子が開示されている。この素子では、全指向性反射層によって光が半導体層へ戻されるので、基板での吸収が抑制される。

Ｇ．Ｂ．Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗ ａｎｄ Ｍ．Ｇ．Ｇｒａｆｏｒｄ（ｅｄ．）：Ｈｉｇｈ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ Ｖｏｌ．４８，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ １９９７ 特表２００３−５２４８８４号公報 米国特許５３７６５８０号明細書 特開平１０−３４１０３５号公報 特表２００３−５０６３３１号公報 特開平９−１０７１２３号公報 米国特許６７８４４６２号明細書

しかしながら、上記した非特許文献１、特許文献１ないし特許文献６記載の技術では、活性層の発光領域から、光の被照射面とは反対側の方向に出射された光は、外部に出射される前に活性層に入射することとなるため、活性層で吸収されてしまう。このように、上記したこれらの技術では、光取り出し効率を大幅に減少させる要因が内在しているため、光取り出し効率をあまり高めることができないという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光取り出し効率を高くすることの可能な半導体発光素子を提供することにある。

本発明の半導体発光素子は、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層により構成される半導体層を備えている。第１クラッド層および第２クラッド層は、活性層より大きなバンドギャップを有している。半導体層は、第１クラッド層の側面から第２クラッド層の側面に渡って曲面を有している。この曲面は、積層方向に垂直な軸をｘ、積層方向に平行な軸をｙとすると、ｙ軸上に焦点を有する放物線を、ｙ軸を回転軸として３６０°回転させることにより得られる曲面であり、活性層は、その曲面の焦点の位置に、第１クラッド層および第２クラッド層に囲まれた発光領域を有している。

本発明の半導体発光素子では、活性層の発光領域が曲面の焦点の位置に設けられており、かつ第１クラッド層および第２クラッド層に囲まれていることから、曲面の焦点に設けられた点光源とみなすことができる。これにより、活性層の発光領域のうち曲面で反射された光は、放物線状の曲面で反射され、半導体層の表面からほぼ垂直に出射される。

これより、活性層の発光領域で発生した光は、再度活性層に入射する虞が実質的に無いので、活性層での光の吸収は実質的に生じない。

本発明の半導体発光素子によれば、活性層での光の吸収が実質的に生じないようにしたので、光取り出し効率を高くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面構造を表したものである。この発光ダイオードは、基板１０の一面側に、第１クラッド１１、活性層１２、第２クラッド層１３およびコンタクト層１４をこの順に積層した積層構造を有する。コンタクト層１６の表面には中央にｐ側電極１６、基板１０の裏面にはｎ側電極１７がそれぞれ形成されている。この発光ダイオードは、活性層１２から発せられた発光光線を基板１０の開口Ｗから出射するように構成された上面発光型の発光素子である。

基板１０、第１クラッド１１、活性層１２、第２クラッド層１３およびコンタクト層１４は、例えばＡｌＧａＩｎＰ系半導体によりそれぞれ構成されてなる化合物半導体層である。なお、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体とは、長周期型周期表における３Ｂ族元素のアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）と、５Ｂ族元素のリン（Ｐ）とを含む化合物半導体のことをいう。

基板１０は、活性層１２からの発光光を吸収することのない、光学的に透明な材料、例えばガリウム燐（ＧａＰ）などにより構成される。

活性層１２は、例えば量子井戸層（図示せず）と障壁層（図示せず）とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を備えており、例えば、アンドープＩｎ_a Ｇａ_1-a Ｐ（０＜ａ＜１）からなる量子井戸層とアンドープ（Ａｌ_b Ｇａ_1-b ）_1-c Ｉｎ_c Ｐ（０＜ｂ≦１，０＜ｃ＜１）からなる障壁層とを一組として、それを複数積層して構成される。ここで、活性層１２のＩｎ組成の値ａ，ｃおよびＡｌ組成の値ｂは、発光波長や、キャリア密度分布などを勘案して決定される。なお、活性層１３は、多重量子井戸構造以外の構造、例えば単一量子井戸構造やバルク構造を有するものであってもよい。

第１クラッド層１１は例えばｎ型（Ａｌ_d Ｇａ_1-d ）_1-e Ｉｎ_e Ｐ（０＜ｄ≦１，０＜ｅ＜１）により、第２クラッド層１３は例えばｐ型（Ａｌ_f Ｇａ_1-f ）_1-g Ｉｎ_g Ｐ（０＜ｆ≦１，０＜ｇ＜１）によりそれぞれ構成される。また、第１クラッド層１１および第２クラッド層１３は、活性層１２より大きなバンドギャップを有する。ここで、第１クラッド層１１および第２クラッド層１３のＡｌ組成およびＩｎ組成は、活性層１１に対するキャリアの閉じ込め性や注入性などを勘案して決定される。

コンタクト層１４は、例えばｐ型ＧａＰにより構成される。

反射膜１５は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）層および銀（Ａｇ）層を曲面Ｓの表面にこの順に積層した構造を有しており、活性層１２からの発光光を高反射率で反射するようになっている。なお、反射膜１５は、全指向性反射層により構成されていてもよい。

ｐ側電極１６は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をコンタクト層１４の表面にこの順に積層した構造を有しており、コンタクト層１６と電気的に接続されている。また、ｎ側電極１７は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とをこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。

ところで、上記第１クラッド１１、活性層１２および第２クラッド層１３により構成される半導体層は曲面Ｓを有している。この曲面Ｓは、基板１０の表面に平行な軸（積層方向に垂直な軸）をｘ、基板１０の表面に垂直な軸（積層方向に平行な軸）をｙとすると、ｙ軸上に焦点を有すると共にその焦点を基準として基板１０とは反対側のｙ軸上に頂点を有する放物線を、このｙ軸を回転軸として３６０°回転させることにより得られる面である。ここで、曲面Ｓの焦点と頂点との距離をｐとすると、曲面Ｓは、例えばｙ＝ｘ² ／（４ｐ）の関数で表される。

また、その曲面Ｓの焦点およびその近傍に活性層１２および活性層１２の発光領域１２−１が配置されている。すなわち、発光領域１２−１は曲面Ｓの焦点およびその近傍に点光源として配置されている。また、曲面Ｓの頂点およびその近傍にコンタクト層１４が配置されており、基板１０のうち曲面Ｓの開口部Ｗ（曲面Ｓの終端部Ｐ１，Ｐ２で囲まれる領域）に対応する領域を取り囲むような態様でｎ側電極１７が配置されている。

また、曲面Ｓの対称軸と、曲面Ｓの焦点および曲面Ｓの終端部Ｐ１，Ｐ２を通る面の母線とが交差する角度（＜９０°）を２倍して得られる開角θ１は、脱出円錐角θ０以下となっている。ここで、脱出円錐角θ０とは、基板１０の外側の表面において、活性層１２側から入射した光を全反射させることなく外部へ出射させることの可能な入射角の最大値を２倍した値である。

このような構成を有する発光ダイオードは、例えば次のようにして製造することができる。

この発光ダイオードを製造するためには、例えばＧａＡｓからなる基板１００上に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ホスフィン (ＰＨ₃ ) を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。

具体的には、まず、図２（Ａ）に示したように、基板１００の表面に、前駆第１クラッド１１Ａおよび前駆活性層１２Ａをこの順に積層させたのち、発光領域１２−１が形成されることとなる領域上にレジスト層Ｔ１を形成する。続いて、図２（Ｂ）に示したように、前駆活性層１２Ａをエッチングして活性層１２を形成したのち、レジスト層Ｔ１を除去する。次に、図２（Ｃ）に示したように、前駆第１クラッド１１Ａおよび活性層１２上に、前駆第２クラッド層１３Ａおよび前駆コンタクト層１４Ａをこの順に積層させる。

次に、図３（Ａ）に示したように、基板１００を例えばエッチングにより除去すると共に、基板１０をウェハーボンディング技術を用いて接合する。その後、コンタクト層１４の表面の一部にレジスト層Ｔ２を形成する。

次に、図３（Ｂ）に示したように、前駆コンタクト層１４Ａ、前駆第２クラッド層１３Ａ、活性層１２および前駆第１クラッド１１Ａを例えばレジスト・リフロー技術を用いてエッチングすることにより曲面Ｓを形成する。その後、レジスト層Ｔ２を除去する。

次に、図４（Ａ）に示したように、前駆コンタクト層１４Ａ上にレジスト層Ｔ３を形成したのち、図４（Ｂ）に示したように、前駆コンタクト層１４Ａをエッチングしてコンタクト層１４を形成する。その後、レジスト層Ｔ３を除去する。

次に、図１に示したように、例えば真空蒸着法により、曲面Ｓの表面上に反射膜１５を、コンタクト層１４の表面上にｐ側電極１６を、基板１０の裏面上にリング状のｎ側電極１７をそれぞれ形成する。

次に、本実施の形態の発光ダイオードの作用・効果について説明する。

本実施の形態の発光ダイオードでは、ｐ側電極１６とｎ側電極１７との間に所定の電圧が印加されると、ｎ側電極１７から電子が、ｐ側電極１６から正孔がそれぞれ活性層１２へ注入される。そして、この活性層１２に注入された電子と正孔が再結合することにより発光領域１２−１から光子が発生し、その結果発光光が基板１０の裏面から外部に出射される。

ここで、開角θ１は、上述のように、脱出円錐角θ０以下となっている。これにより、発光領域１２−１から発せられた発光光線のうち曲面Ｓで反射された光は、曲面Ｓによって反射され、基板１０の裏面からほぼ垂直に出射される。一方、発光領域１２−１から発せられた発光光線のうち曲面Ｓで反射されることなく直接基板１０へ入射した光は、基板１０の外側の表面に脱出円錐角θ０の１／２以下の角度で入射するので、全反射されることなく脱出円錐角θ０の１／２以下の角度で外部に出射される。

これにより、本実施の形態の発光ダイオードでは、発光領域１２−１から発せられた発光光線のうち曲面Ｓで反射された光、および発光領域１２−１から発せられた発光光線のうち曲面Ｓで反射されることなく直接基板１０へ入射した光は、０または１回の反射だけで外部に出射されることになり、従来の発光ダイオードのように複数回反射されたのち外部に出射されることはない。また、発光領域１２−１から発せられた発光光線が活性層１２に再び入射することは実質的に無い。したがって、第１クラッド１１、活性層１２および第２クラッド層１３での光の吸収を抑制することができる。

このように、本実施の形態の発光ダイオードでは、第１クラッド１１、活性層１２および第２クラッド層１３での光の吸収を抑制することができるので、光取り出し効率を高くすることができる。

ところで、一般的な発光ダイオードは、半導体レーザのような指向性を有していない。そのため、例えば、光の被照射面に光を集光する必要のある用途では、発光ダイオードをリフレクタ内に配置するなど、発光ダイオードの光を再度方向づけるための部品を外部に配置することが必要となる。

しかしながら、本実施の形態の発光ダイオードでは、曲面Ｓを備えているので、発光ダイオードの光を再度方向づけるための部品を新たに設けた場合と同等の指向性を有している。そのため、本実施の形態では、発光ダイオードの光を再度方向づけるための部品を新たに設ける必要がないので、小型化することができる。

なお、曲面Ｓが、開角θ１が脱出円錐角θ０より充分に小さくなるように構成されている場合には、発光領域１２−１から発せられた発光光線のうち曲面Ｓで反射されることなく直接基板１０へ入射して外部に出射された光の広がり角は、開角θ１が脱出円錐角θ０と等しい場合のそれと比べて非常に小さい。したがって、開角θ１を脱出円錐角θ０より充分に小さくすることにより、外部に出射される光の広がり角を非常に小さくすることができる。このように、本実施の形態の発光ダイオードでは、任意の広がり角の光を出射させることができる。

一方、曲面Ｓが、開角θ１が脱出円錐角θ０より小さく、かつ、開角θ１と脱出円錐角θ０との差が少なくなるように構成されている場合には、上記の場合と比べて多少光の広がり角が大きくなるが、第１クラッド層１１の厚さ、すなわち、発光ダイオードの厚さを薄くすることができる。また、第１クラッド層１１の厚さが薄くなることにより、第１クラッド層１１での光の吸収が上記の場合と比べて抑制される。したがって、開角θ１を脱出円錐角θ０より小さく、かつ、開角θ１と脱出円錐角θ０との差を少なくすることにより、発光ダイオードをさらに小型化することができ、かつ、光取り出し効率をさらに高くすることができる。

なお、図５および図６（Ａ）（Ｂ）に示したように、本実施の形態の発光ダイオードを格子状または千鳥足状に並列配置して、光集積型の発光ダイオードとしてもよい。ここで、光集積型の発光ダイオードを構成する発光ダイオードの曲面Ｓが、開角θ１が脱出円錐角θ０より充分に小さくなるように構成されている場合には、曲面Ｓの開口面積を小さくすることができるので、発光ダイオードを高密度に配置することが可能となる。これにより、光集積型の発光ダイオードを小型化することができる。

また、この光集積型の発光ダイオードでも同様に、発光ダイオードの光を再度方向づけるための部品を新たに設ける必要がないので、光の被照射面に光を集光する必要のある用途においても、小型化することができる。

［変形例］
以下、上記実施の形態の発光ダイオードの変形例について説明する。この発光ダイオードは、図７に示したように、上記実施の形態の発光ダイオードと比べると、曲面Ｓが、開角θ１が脱出円錐角θ０より大きくなるように構成されており、さらに、光乱反射部１８を備える点で相違する。

この光乱反射部１８は、基板１０の外側の表面のうち、曲面Ｓの焦点および曲面Ｓの終端部Ｐ１，Ｐ２を通る面の母線が基板１０の外側の表面と交わることにより形成される線分と、曲面Ｓの焦点から脱出円錐角θ０の方向へ延在して形成される面の母線が基板１０の外側の表面と交わることにより形成される線分との間に挟まれた領域Ｒに設けられている。この光乱反射部１８は、基板１０の外側の表面のうちリング状の領域Ｒに設けられた微小な凹凸により構成されており、発光領域１２−１から発せられた発光光線のうちこの領域Ｒに入射した光を乱反射するようになっている。これにより、領域Ｒに入射した光が基板１０内で多重反射することなく、外部に出射される。

また、曲面Ｓが、開角θ１が脱出円錐角θ０より大きくなるように構成されているので、素子全体の厚さを上記実施の形態と比べてより薄くすることができる。これにより、本変形例に係る発光ダイオードでは、より小型化することができる。

また、この発光ダイオードでは、曲面Ｓを備えるようにしたので、発光領域１２−１から発せられた発光光線のうち曲面Ｓで反射された光、および発光領域１２−１から発せられた発光光線のうち曲面Ｓで反射されることなく直接基板１０へ入射した光は、０または１回の反射だけで基板１０の外側の表面に入射することになり、従来の発光ダイオードのように複数回反射されたのち基板１０の外側の表面に入射することはない。また、発光領域１２−１から発せられた発光光線が活性層１２に再び入射することはほとんどに無い。したがって、第１クラッド１１、活性層１２および第２クラッド層１３での光の吸収を抑制することができる。なお、領域Ｒに入射した光は光乱反射部１８で乱反射されて外部に出射されるので、光乱反射部１８に起因する光取り出し効率の低下はほとんどない。

このように、本変形例では、第１クラッド１１、活性層１２および第２クラッド層１３での光の吸収を抑制することができ、光乱反射部１８に起因する光取り出し効率の低下はほとんどないので、光取り出し効率を高くすることができる。また、曲面Ｓを備えているので、上記実施の形態と同等の指向性を有している。そのため、光の被照射面に光を集光する必要のある用途において、発光ダイオードの光を再度方向づけるための部品を新たに設ける必要がなく、さらに、発光ダイオードの厚さを上記実施の形態と比べてより薄くすることができるので、より小型化することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態および変形例では、前駆活性層１２Ａをエッチングすることにより、曲面Ｓの焦点およびその近傍に微小光源としての発光領域１２−１を形成していたが、図２（Ａ）において、前駆活性層１２Ａのうち曲面Ｓの焦点およびその近傍を除く領域に対して亜鉛（Ｚｎ）などの不純物を拡散させることにより、図８に示したような、曲面Ｓの焦点およびその近傍に微小光源としての発光領域２２−１を形成するようにしてもよい。なお、前駆活性層１２Ａのうち不純物の拡散された領域（不活性領域２２−２）から発光することはない。

本発明の一実施の形態に係る発光ダイオードの断面構成図である。 図１の発光ダイオードの製造工程を説明するための断面構成図である。 図２の続きの製造工程を説明するための断面構成図である。 図３の続きの製造工程を説明するための断面構成図である。 図１の発光ダイオードをアレイ状に並列配置してなる光集積型の発光ダイオードの断面構成図である。 図５の光集積型の発光ダイオードの上面図である。 一変形例に係る発光ダイオードの断面構成図である。 他の変形例に係る発光ダイオードの断面構成図である。

符号の説明

１０，１００…基板、１１…第１クラッド層、１２…活性層、１２−１…発光領域、１３…第２クラッド層、１４…コンタクト層、１５…反射膜、１６…ｐ側電極、１７…ｎ側電極、１８…光乱反射部、１９…光吸収部、θ０…開角、θ１…脱出円錐角、Ｒ…領域、Ｓ…表面、Ｐ１，Ｐ２…端部、Ｗ…開口。

Claims (5)

1. 第１クラッド層、活性層および第２クラッド層により構成される半導体層を備え、
   前記第１クラッド層および前記第２クラッド層は、前記活性層より大きなバンドギャップを有し、
   前記半導体層は、前記第１クラッド層の側面から前記第２クラッド層の側面に渡って曲面を有し、
   前記曲面は、積層方向に垂直な軸をｘ、積層方向に平行な軸をｙとすると、ｙ軸上に焦点を有する放物線を、ｙ軸を回転軸として３６０°回転させることにより得られる曲面であり、
   前記活性層は、前記曲面の焦点の位置に、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層に囲まれた発光領域を有する
   半導体発光素子。
2. 前記曲面の対称軸と、前記曲面の焦点および前記曲面の終端部を通る面の母線とが交差する角度（＜９０°）を２倍して得られる開角が、脱出円錐角以下である
   請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記半導体層のうち前記曲面の開口側に基板を備え、
   前記曲面の対称軸と、前記曲面の焦点および前記曲面の終端部を通る線分とが交差する角度（＜９０°）を２倍して得られる開角が、脱出円錐角より大きく、
   前記基板は、前記基板の外側の表面のうち、前記曲面の焦点および前記曲面の終端部を通る面の母線が前記基板の外側の表面と交わることにより形成される線分と、前記曲面の焦点から前記脱出円錐角の方向へ延在して形成される面の母線が前記基板の外側の表面と交わることにより形成される線分とによって挟まれた領域に、光乱反射部を有する
   請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記曲面の表面に反射膜を備える
   請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
5. 前記半導体層は、ｘ軸方向に並列配置された複数の前記曲面を有し、
   前記活性層は、個々の曲面の焦点の位置に、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層に囲まれた発光領域を有する
   請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。

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