JP4773597B2

JP4773597B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP4773597B2
Application number: JP36772699A
Authority: JP
Inventors: 忠敬細見; 幸生松本
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2019-12-24
Also published as: JP2001185755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体層が積層されて発光層を形成する発光層形成部の表面側に光を取り出す構造の半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、側面方向に光を取り出しやすくし、全体として発光する光の外部への取出し効率（外部微分量子効率）を向上させ得る構造の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可視光半導体発光素子は、たとえば図５に示されるような構造になっている。すなわち、図５において、ｎ形ＧａＡｓからなる半導体基板２１上に、たとえばｎ形のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなるｎ形クラッド層２２、クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなる活性層２３、ｎ形クラッド層と同じ組成でｐ形のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体材料からなるｐ形クラッド層２４がそれぞれエピタキシャル成長され、ダブルヘテロ構造の発光層形成部２９が形成されている。さらにその表面にＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなるｐ形のウインドウ層（電流拡散層）２５が設けられている。そして、その表面の中央部にＧａＡｓからなるコンタクト層２６を介して上部（ｐ側）電極２７および半導体基板の裏面に下部（ｎ側）電極２８が形成されている。
【０００３】
この構造の半導体発光素子で、たとえば活性層２３のＰ点で発光した光は、四方に放射（半導体基板側にも進むが、半導体基板２１のＧａＡｓは光を吸収して表面側に取り出すことが困難であるため図示してない）され、電極以外の表面およびウインドウ層２５の側面から外部に取り出される。しかし、半導体層の屈折率は３.５程度であり、空気の屈折率は１、ランプ型にする場合など周囲を透明樹脂で被覆する場合でも、樹脂の屈折率は１.５程度であり、界面での入射角が小さくないと図５に示されるように、全反射をしてＬＥＤチップの内部を全反射しながら吸収などにより減衰してしまう。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、半導体層とその外周の空気または透明樹脂などとの屈折率の差により、発光層で発光した光がチップの上面または側面で全反射する割合が高い。一方、クラッド層や活性層などは完全な透明体ではなく、発光層で発光した光を吸収し、また、半導体基板やコンタクト層などに用いられるＧａＡｓは、発光層で発光する光を吸収する材料であるため、全反射を繰り返すうちに吸収されて減衰する。そのため、外部に取り出すことができる光の割合が小さくなり、外部微分量子効率が向上しないという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、発光層で発光した光をチップの外側にできるだけ取り出せる構造とし、外部微分量子効率を向上させるこができる半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、発光した光を外に有効に取り出すことができない原因を鋭意検討を重ねて調べた結果、発光層（活性層）で発光する光は四方に均一に放射されるが、とくに電流が集中して流れ電流密度が大きいチップの中心部で発光する光は、真上に行く光が上部電極で遮られ、コンタクト層で吸収されたり、反射しても再度半導体基板側に反射して吸収されてしまい、斜め方向に進む光は、上面または側面に大きな入射角で入射して全反射し、有効に取り出せないことに原因があることを見出した。そして、上面から側面にかけての界面（チップの外壁）を傾斜面とすることにより、斜め方向に進んできた光に対して入射角を小さくし、全反射させないで外に取り出すことができることを見出した。
【０００７】
本発明による半導体発光素子は、半導体基板と、該半導体基板の上に設けられ、少なくともｎ形層およびｐ形層により活性層を挟持する発光層形成部と、該発光層形成部上に設けられ、該発光層形成部を構成する材料とは異なる組成の材料からなる電流拡散層と、該電流拡散層の表面側に設けられる上部電極と、前記半導体基板の裏面側に設けられる下部電極とからなり、前記電流拡散層は、該電流拡散層の前記発光層形成部側である底面の端部と前記電流拡散層の上面の前記上部電極の端部側とが、前記上部電極側の幅が狭く、前記活性層側で幅が広くなるような傾斜面で結ばれることにより前記電流拡散層の側面が傾斜面となり、該傾斜面が前記発光層形成部の表面に対して７°〜６０°の傾斜角を有する傾斜面となっており、かつ、前記電流拡散層が、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層からなり、表面側ほどＡｌの混晶比が放物線状の割合で小さくなるように組成が変化する層であり、前記発光層形成部および前記電流拡散層の外部に透明な樹脂が設けられている。
【０００８】
この構造にすることにより、半導体積層部の上部電極が設けられた部分以外の上表面および側面が傾斜面となるため、斜めに表面側に向かってきた光も全反射することなく外側に出やすい。また、ウインドウ層（半導体積層部の上層部）の側面側に向かった光も、側面が内側に傾斜しているため、チップの外部との境界面では、その入射角が小さくなり、全反射しないで外部にでやすくなる。その結果、外部への光の取り出し効率が向上し、外部微分量子効率を向上させることができる。
【０００９】
前記傾斜面が、外側が凸面となる傾斜面であれば、より一層チップ内部での入射角が小さくなり、外側へ光を取り出しやすくなる。
【００１０】
前記電流拡散層が、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層からなり、表面側ほどＡｌの混晶比が放物線状の割合で小さくなるように組成が変化する層であるので、Ｇａをエッチングしやすいエッチャントを用いることにより、Ａｌの混晶比の小さい上層部はエッチングされやすく、Ａｌの混晶比の大きい下層はエッチングされにくいため、容易に傾斜面を作りやすい。この場合、Ａｌの組成比の変化を直線的に変化させることもできるが、上部を凸とする放物線状に変化させているので、エッチングのみで外側が凸面となる傾斜面とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明による半導体発光素子について、図面を参照しながら説明をする。本発明による半導体発光素子は、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、半導体基板１の上に、少なくともｎ形層３およびｐ形層５により活性層４を挟持する発光層形成部１１を有する半導体積層部１２が設けられている。また、半導体積層部１２の表面側に上部電極（ｐ側電極）８が設けられ、半導体基板１の裏面側に下部電極（ｎ側電極）９が設けられている。そして、半導体積層部１２の活性層４より上層部に上部電極８側の幅が狭く、活性層４側で幅が広くなるように側面に傾斜面が形成されていることに特徴がある。
【００１２】
発光層形成部１１は、たとえばＩｎ_0.49（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.51Ｐ（０.６≦ｘ≦０.８、たとえばｘ＝０.６７）からなるｎ形クラッド層３が０.１〜２μｍ程度、たとえば５８７ｎｍ程度の発光波長とするＩｎ_0.49（Ｇａ_1-yＡｌ_y）_0.51Ｐ（０.２≦ｙ≦０.３、たとえばｙ＝０.２６）からなる活性層４が０.１〜２μｍ程度、Ｉｎ_0.49（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.51Ｐ（０.６≦ｘ≦０.８、たとえばｘ＝０.６７）からなるｐ形クラッド層５が０.１〜２μｍ程度それぞれ成長されて形成されている。なお、発光層形成部を構成する半導体層は、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体に限らず、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体など、他の発光色の半導体層を用いることができる。
【００１３】
この発光層形成部１１の表面に、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０.５≦ｚ≦０.８）からなるウインドウ層６が１〜１０μｍ程度設けられている。また、ウインドウ層６の表面には、上部電極８の下側のみにＧａＡｓなどからなるコンタクト層７が設けられ、これらにより半導体積層部１２が形成されている。
【００１４】
本発明の半導体発光素子においては、この半導体積層部１２の活性層４より上層、たとえばウインドウ層６の側面が、半導体基板１の面に対して垂直方向ではなく、上部電極８側で幅が狭く、活性層４側で幅が広くなるように傾斜面に形成されている。図１に示される例では、たとえばピラミッド形状の４角錐の上部が上部電極８部分で底面に平行に切り取られた形状になっており、たとえばウインドウ層６の厚さＡが６μｍ程度で、上部電極８からチップ側面までの距離Ｂが約５０μｍ程度（チップの一辺が２００μｍ程度で、上部電極８の一辺が１００μｍ程度）であり、傾斜角θは、約７°程度になる。しかし、ウインドウ層をもっと厚くすれば傾斜角も大きくすることができ、６０°以下程度であれば、外部への光の取り出し効率を向上することができた。
【００１５】
このような傾斜面を形成するには、たとえば半導体積層部１２を形成し、その上に上部電極８を形成してコンタクト層７をパターニングした後に、ウェハの状態で、図２に示されるように、チップの境界部に開口部１６ａを形成したホトレジスト膜１６を設け、その開口部１６ａから露出するウインドウ層６を、たとえば昭和電工（株）商品名ショウポリッシュによりエッチングすることにより、表面側がオーバーエッチングされて図２に示されるように凹部１７が形成される。この凹部１７の中心部でダイシングすることにより、チップの側面に傾斜面が形成されたＬＥＤチップが得られる。この傾斜面の形成法としては、このようなエッチングによらなくても、機械的研磨などの方法によっても形成することができる。
【００１６】
また、エッチングにより形成するにしても、とくに前述のエッチャントは、Ｇａをよくエッチングするため、ウインドウ層として、前述のＡｌ_zＧａ_1-zＡｓを使用し、Ａｌの組成を表面側にいくにしたがって減らすことにより、表面側ほどよくエッチングされ、傾斜面を形成しやすい。このウインドウ層６のＡｌの組成を順次減らすには、図３（ａ）に示されるように、ウインドウ層の下面から上面に直線状にまたは階段状（図示せず）に減らすこともできるし、図３（ｂ）に示されるように、放物線状に減らすこともできる。この組成を変化させるには、後述するＭＯＣＶＤ法により行う場合、導入ガスの流量を変化させることにより、容易に変化させることができる。
【００１７】
このような放物線状にＡｌの組成を減らすことにより、エッチングスピードが放物線状に変化し、図４にウインドウ層６部の断面説明図が示されるように、側面の傾斜面が外側に凸の形状となる。このような外側に凸の形状になるように傾斜面を形成すると、活性層４で発光して斜め上方に向かう光はチップの境界面では凹面をなす界面に入射するため、より一層入射角が小さくなり、全反射することなく光が透過しやすくなる。その結果、より一層光の取り出し効率が向上して好ましい。
【００１８】
上部（ｐ側）電極８は、たとえばＡｕ-Ｂｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕなどを全面に設けた後にパターニングすることにより形成されてもよいし、電極が設けられる部分以外にマスクを設けて、全面に電極材料を被膜してからマスクを除去するリフトオフ法により形成されてもよい。また、ＧａＡｓからなる半導体基板１の裏面には、全面にＡｕ-Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕなどが０.２〜０.４μｍ程度の厚さに設けられ、ｎ側電極９が形成されている。
【００１９】
本発明の半導体発光素子によれば、ウインドウ層の上面および側面が繋がった傾斜面になっているため、たとえば図１（ｂ）に一部の発光経路が示されるように、活性層４の発光部Ｐで発光し、斜め方向に進んだ光は、上面や側面に大きな入射角で入射しないで、傾斜面に直接小さな入射角で入射する。すなわち、半導体層の屈折率は、３.３〜３.７程度で、その外部に透明なエポキシ樹脂が設けらる場合、その屈折率は１.５〜１.５５程度であり、臨界角は３０°程度になる。すなわち、入射角が３０°程度以下であれば全反射することなくウインドウ層の界面から光が外に取り出されるが、それより大きな入射角で入射すると全反射をする。しかし、本発明によれば、斜め方向に向かう光に対して、傾斜面が対向するため、入射角が小さくなり、光が外に出やすくなる。
【００２０】
さらに、本発明では、上部電極を挟んで両外側に傾斜面が形成されているため、傾斜面が互いに近づくか遠ざかる方向で対向し、平行に向き合わない構造になる。そのため、たとえ全反射をしても対向する傾斜面では光が出やすくなる。その結果、チップ内部で何回も全反射を繰り返して中で減衰しないで、効率よく外に取り出すことができる。
【００２１】
また、前述のように傾斜面が外側に凸になるように形成されることにより、より一層傾斜面に対する入射角が小さくなり、光の取り出し効率が向上する。このような傾斜面を簡単に形成するのに、たとえばＡｌＧａＡｓ系化合物半導体のＡｌ組成など、その組成を変化させることにより、選択的にエッチングをすることができ、組成の変化に応じた形状の傾斜面を形成することができる。また、前述のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体のＡｌ比率を表面側で少なくすることにより、腐食しやすいＡｌの露出が少なくなり、保護層の機能も果たし、より一層効果が大きい。とくに放物線状にＡｌの比率が小さくなることにより、Ａｌの比率が小さくなると発光する光を吸収しやすくなるが、その層が非常に薄いため、吸収の影響も殆どなくなる。
【００２２】
この半導体発光素子を製造するには、たとえばｎ形ＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）またはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ₃）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ｎ形ドーパントとしてのＨ₂Ｓｅ、ｐ形層形成の場合はｐ形ドーパントとしてのジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の必要なガスをそれぞれ導入し、図１（ａ）に示されるように、Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.51Ｐからなるｎ形クラッド層３を０.１〜２μｍ程度、ノンドープのＩｎ_0.49（Ｇａ_0.75Ａｌ_0.25）_0.51Ｐからなる活性層４を０.１〜２μｍ程度、Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.51Ｐからなるｐ形クラッド層５を０.１〜２μｍ程度、たとえばＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓからなるｐ形ウインドウ層６を１〜１０μｍ程度、ＧａＡｓからなるコンタクト層７を０.２〜１μｍ程度それぞれ連続的に成長する。
【００２３】
その後、Ａｕ-Ｂｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕなどをリフトオフ法、マスク蒸着、または全面に成膜した後にホトリソグラフィ法によるパターニングにより、上部（ｐ側）電極８を形成し、さらに半導体基板１の裏面にＡｕ-Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕなどを全面に設けて下部（ｎ側）電極９を形成する。その後、半導体積層部１２の表面に上部電極８部を覆ってレジスト膜を設け、チップ境界面に開口部を設ける。この開口部の大きさは、たとえば前述のウインドウ層６の厚さＡが６μｍ程度で、横の長さが５０μｍ程度、ウインドウ層６のＡｌ_zＧａ_1-zＡｓのｚを下面から上面まで、たとえば０.７から０.５程度に変化させる場合、幅が３０μｍ程度の開口部を設けると良好な傾斜面が得られる。その後、エッチングによる凹部の底面でチップ化することにより図１（ａ）に示されるＬＥＤチップが得られる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子によれば、発光部から斜め方向に進む光に対して、チップの壁面（半導体積層部上層のたとえばウインドウ層の壁面）が傾斜面により対向しているため、斜め方向に進んできた光をそのまま外に取り出すことができ、結果的に非常に外部微分量子効率が向上する。しかも、斜め方向に進んできた光を殆どそのまま透過させるため、チップから外に出た光も四方に進みやすく、横方向の輝度が向上し、広い面積を照射する用途に適し、たとえば液晶表示装置のバックライトのように面全体を照射する光源に適する。その結果、明るい液晶表示装置用のバックライトが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるＬＥＤチップの断面説明図である。
【図２】図１のＬＥＤチップの傾斜面を形成する工程の断面説明図である。
【図３】図１のＬＥＤチップの傾斜面を作るのに適したウインドウ層の組成の変化の例を示す図である。
【図４】本発明による半導体発光素子における傾斜面の他の構造例を示す図である。
【図５】従来のＬＥＤチップの構造例を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１半導体基板
３ｎ形クラッド層
４活性層
５ｐ形クラッド層
６ウインドウ層
８上部電極
９下部電極
１１発光層形成部
１２半導体積層部

Claims

半導体基板と、該半導体基板の上に設けられ、少なくともｎ形層およびｐ形層により活性層を挟持する発光層形成部と、該発光層形成部上に設けられ、該発光層形成部を構成する材料とは異なる組成の材料からなる電流拡散層と、該電流拡散層の表面側に設けられる上部電極と、前記半導体基板の裏面側に設けられる下部電極とからなり、前記電流拡散層は、該電流拡散層の前記発光層形成部側である底面の端部と前記電流拡散層の上面の前記上部電極の端部側とが、前記上部電極側の幅が狭く、前記活性層側で幅が広くなるような傾斜面で結ばれることにより前記電流拡散層の側面が傾斜面となり、該傾斜面が前記発光層形成部の表面に対して７°〜６０°の傾斜角を有する傾斜面となっており、かつ、前記電流拡散層が、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体層からなり、表面側ほどＡｌの混晶比が放物線状の割合で小さくなるように組成が変化する層であり、前記発光層形成部および前記電流拡散層の外部に透明な樹脂が設けられてなる半導体発光素子。
前記傾斜面が、外側が凸面となる傾斜面である請求項１記載の半導体発光素子。